ads:
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FFCLRP – DEPARTAMENTO DE FÍSICA E MATEMÁTICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA APLICADA À
MEDICINA E BIOLOGIA
"C
IRCUITO DE
E
XCITAÇÃO DE
S
ONDAS DE
U
LTRA
-S
OM
M
ÉDICAS DE
A
LTA
F
REQÜÊNCIA
"
(V
ERSÃO
C
ORRIGIDA
)
C
LAUDIO
P
OLEGATO
J
UNIOR
Dissertação de Mestrado apresentada
à Faculdade de Filosofia, Ciências e
Letras de Ribeirão Preto – USP, como
parte das exigências para a obtenção
do título de M
ESTRE EM
C
IÊNCIAS
, Área:
F
ÍSICA
A
PLICADA À
M
EDICINA E
B
IOLOGIA
.
R
IBEIRÃO
P
RETO
– SP
D
EZEMBRO
– 2004
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FFCLRP – DEPARTAMENTO DE FÍSICA E MATEMÁTICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA APLICADA À
MEDICINA E BIOLOGIA
"C
IRCUITO DE
E
XCITAÇÃO DE
S
ONDAS DE
U
LTRA
-S
OM
M
ÉDICAS DE
A
LTA
F
REQÜÊNCIA
"
(V
ERSÃO
C
ORRIGIDA
)
C
LAUDIO
P
OLEGATO
J
UNIOR
O
RIENTADORA
:
P
ROFA
. D
RA
. L
ILIANE
V
ENTURA
R
IBEIRÃO
P
RETO
– SP
D
EZEMBRO
– 2004
ads:
DEDICATÓRIA
A
O MEU FILHO
Í
GOR
,
MINHA ESPOSA
K
ELLY
,
MEUS IRMÃOS
J
ULIANO E
J
AMILLY E EM
ESPECIAL AOS MEUS PAIS
C
LAUDIO E
M
ARIANA
,
QUE
D
EUS A TENHA E PROTEJA A
TODOS
.
AGRADECIMENTOS
À Profa. Dra. Liliane Ventura, pela orientação, dedicação, sugestão, compreensão, paciência
e amizade no decorrer deste trabalho.
Ao Prof. Dr. José Antônio Eiras, pelas sugestões, tempo despendido em testes e
colaboração para a realização deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Edson Gesualdo, pelo material oferecido, apoio e espírito colaborativo, e
também pela amizade.
Ao Técnico Eletrônico Gunter Camilo Dablas de Oliveira, pela dedicação e apoio para
concretização deste trabalho e pela amizade.
Ao Graduando André Rudge Barbosa, pela dedicação, apoio e colaboração para finalização
deste trabalho e também pela amizade.
Ao pessoal do Banco de Olhos do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de
Ribeirão Preto, Alexandre, Cláudio, Márcia e Renata, pelo apoio, hospitalidade e estrutura
cedida que contribuíram com este trabalho e pela amizade.
Ao Departamento de Oftalmologia do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de
Ribeirão Preto, pelo espaço e estrutura cedidos, em especial ao Laboratório de Física
Oftálmica, e pela amizade do seu pessoal.
Ao Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, pela oportunidade de
contato com médicos, pacientes e equipamentos, além de parte de sua estrutura para
melhor desempenho deste trabalho.
Aos professores, alunos, funcionários e coordenador da pós-graduação do Departamento de
Física e Matemática da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, pela
oportunidade oferecida, incentivo e amizade.
À Escola de Engenharia de São Carlos, em especial a Laboratório de Instrumentação
Oftálmica e seu pessoal, pela colaboração e amizade.
Ao apoio financeiro recebido pelo CNPq e CAPES.
E a todos que direta ou indiretamente colaboraram para a realização deste trabalho.
I
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
SUMÁRIO
Página
1. Resumo ............................................................................................................................ 1
1. Abstract ........................................................................................................................... 2
2. Introdução ........................................................................................................................ 3
2.1. Introdução ..................................................................................................................... 3
2.2. A Física do Ultra-Som ................................................................................................... 4
2.3. Geração e Descoberta do Ultra-Som ............................................................................ 5
2.3.1. Propagação do Ultra-Som .......................................................................................... 7
2.3.2. Reflexão do Ultra-Som ............................................................................................... 13
2.4. Modos do Ultra-Som ..................................................................................................... 22
2.4.1. Gerador de Pulsos Eletrônico .................................................................................... 24
3. O Estado da Arte de Circuitos de Excitação .................................................................... 26
3.1. Circuitos de Excitação para Sondas Médicas Pulso-Eco ............................................. 26
3.2. Circuitos de Excitação para Altas Freqüências ............................................................ 30
4. Materiais e Métodos ......................................................................................................... 34
4.1. As Sondas Utilizadas .................................................................................................... 34
4.2. Circuitos Desenvolvidos ................................................................................................ 36
4.2.1. Primeiro Circuito ......................................................................................................... 36
4.2.2. Circuitos Seguintes .................................................................................................... 45
4.3. Montagem Prática ......................................................................................................... 54
4.3.1. Instrumentação Utilizada ............................................................................................ 54
4.3.2. Montagem .................................................................................................................. 56
5. Resultados ....................................................................................................................... 59
5.1. Sonda Comercial para Paquimetria Corneana ............................................................. 59
5.2. Sondas Nacionais em Desenvolvimento ...................................................................... 59
5.3. Sonda para Ecografia Cardíaca .................................................................................... 61
5.3.1. Análise do Eco ........................................................................................................... 64
6. Conclusão ........................................................................................................................ 67
7. Trabalhos Futuros ............................................................................................................ 69
8. Referências Bibliográficas ................................................................................................ 70
II
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Lista de Figuras
Página
Figura 2.1. Corte do Transdutor ........................................................................................... 5
Figura 2.2. Esquema representativo da configuração molecular no material de piezelétrico
ilustrando a contração induzida pela aplicação de uma tensão elétrica ...... 6
Figura 2.3. Geração e propagação de uma onda ultra-sônica de compressão. A onda é
gerada por uma extensão pequena de uma superfície de um transdutor
em um fluido................................................................................................. 8
Figura 2.4. Geração e propagação de uma onda ultra-sônica de compressão. A onda é
gerada por uma extensão pequena de uma superfície de um transdutor
em um fluido................................................................................................. 10
Figura 2.5. Variações de pressão causadas pela passagem de pulso ultra-sônico por
ponto A na figura 2.4. A freqüência destas variações a mesma do
transdutor ..................................................................................................... 11
Figura 2.6. Geração e propagação de onda transversal ultra-sônica em um sólido. A onda
é gerada por uma força tosquiando à superfície do transdutor.
Deslocamentos internos são perpendiculares a direção de propagação .... 12
Figura 2.7. Reflexão total de um pulso ultra-sônico em um limite rígido. Tensão na saída
do transdutor mostra o pulso de excitação e o pulso de eco de forma que
o tempo de trânsito total pode ser medido ................................................... 14
Figura 2.8. Representação esquemática de interfaces entre a córnea (C), o humor
aquoso (UM), a lente (L), o humor vítreo (V) e a retina (R). As voltagens
do transdutor denotam os ecos das superfícies da córnea anterior e
posterior (AC e PC), lente (AL e PL) e retina (R). Podem ser usados
intervalos de tempo medidos com dados de velocidade para determinar
os comprimentos de cada segmento ocular ................................................ 16
Figura 2.9. Voltagens de eco obtidas no olho; a série de ecos correspondem às interfaces
mostradas na Figura 2.8. Os ecos oculares seguintes formam um padrão
de eco complexo por espalhamento dentro da gordura orbital.................... 17
Figura 2.10. Diagrama dos caminhos dos pulsos incidente, refletido e transmitido em uma
interface de tecido sob incidência normal. As impedâncias acústicas
características de ambos os tecidos determinam as relações entre as
amplitudes destes pulsos ............................................................................. 18
Figura 2.11. Reflexão em superfície plana normal e incidência oblíqua. Incidência oblíqua
resulta em amplitudes de eco baixas e duração aumentada devido à
variação em trânsito cronometrada ao longo dos feixes.............................. 19
Figura 2.12. Reflexão em interface áspera. Aspereza de superfícies redireciona a energia
em uma variedade de direções que causam amplitudes de eco menores
e durações maiores. Incidência oblíqua não afeta a amplitude do eco
como em superfícies lisas............................................................................ 20
Figura 2.13. Reflexão em superfície curva. Propagação do feixe na reflexão reduz
amplitudes de eco ........................................................................................ 20
Figura 2.14. Espalhamento em tecidos não homogêneos distribuídos. A voltagem de eco
consiste na sobreposição de ecos de muitas partículas.............................. 21
III
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.15. O Modo-A resulta mostrando a refletividade efetiva do tecido (eixo vertical)
versus o tempo ou, equivalentemente, a distância. Sinais de vídeo e R.F.
introduz ruídos nas interfaces como mostradas na figura 2.8 ..................... 22
Figura 2.16. Imagem em Modo-B de um olho normal, descrevendo as estruturas oculares
principais e a gordura de retrobulbar. O nervo ótico não refletivo aparece
como uma região escura dentro do padrão de gordura............................... 23
Figura 2.17. Histórico no tempo em Modo-M que mostra as posições das interfaces de
tecido em função do tempo. (Barras verticais indicam períodos de
acomodação)................................................................................................ 23
Figura 2.18. Esquema simplificado e com sinais do sistema de ultra-som ocular. ............... 25
Figura 3.1. Pulso de Excitação em Aberto............................................................................. 27
Figura 3.2. Diagrama em blocos do Amplificador Direto ....................................................... 27
Figura 3.3. Circuito Exemplo do Amplificador Direto [5] ........................................................ 28
Figura 3.4. Diagrama em blocos do Circuito de Carga e Descarga ...................................... 29
Figura 3.5. Circuito Exemplo do Circuito de Carga e Descarga [28,29,30] ........................... 30
Figura 3.6. a) Circuito de Geração de Alta Tensão a Baixa Corrente; b) Transformador de
estroboscópio que pode ser usado no circuito (transformação 1:20) .......... 31
Figura 3.7. Circuito de Geração de Alta Tensão a Baixa Corrente........................................ 31
Figura 3.8. Circuito de Carga e Descarga.............................................................................. 32
Figura 4.1. Sonda 1, com freqüência de excitação de 10 MHz, desenvolvida pelo nosso
grupo em conjunto com a UFSCar............................................................... 34
Figura 4.2. Sonda 2, com freqüência de excitação de 11,5 MHz, desenvolvida pelo nosso
grupo em conjunto com a UFSCar............................................................... 34
Figura 4.3. Paquímetro comercial DGH 4059 com a Sonda 3. ............................................. 35
Figura 4.4. Sonda de ecografia desenvolvida na EESC-USP. .............................................. 35
Figura 4.5. Diagrama em Blocos do Primeiro Circuito de Excitação. .................................... 37
Figura 4.6. Diagrama em Blocos do Primeiro Circuito de Recepção. ................................... 37
Figura 4.7. Diagrama em Blocos do Sistema de Paquimetria Ultra-Sônico Completo.......... 38
Figura 4.8. Circuito equivalente da sonda piezo-cerâmica .................................................... 39
Figura 4.9. Gráficos da Curva Característica. a) Admitância; b) Impedância........................ 40
Figura 4.10. Casamento de Impedância. a) Série; b) Paralelo.............................................. 41
Figura 4.11. a) Teste com Tiristor; b) Teste com BJT; c) Teste com Mos-Fet; d) Teste
com Mos-Fet excitado por BJT .................................................................... 42
Figura 4.12. Circuito analógico para sondas piezo-cerâmicas. ............................................. 42
Figura 4.13. Repostas do circuito da figura 4.12 sobre a sonda 3 com média de 128
amostras....................................................................................................... 43
Figura 4.14. Repostas do circuito da figura 4.12. a) Sem a Sonda; b) Com a Sonda 1........ 44
Figura 4.15. Reposta em freqüência para cada possível casamento de impedância das
sondas 1,2 e 3, com sintonia por capacitância e resistência. ...................... 46
Figura 4.16. Chaveamento direto da tensão através de M1.................................................. 47
Figura 4.17. Uso do 555C com astável.................................................................................. 48
Figura 4.18. Circuito aperfeiçoado......................................................................................... 49
IV
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.19. Respostas do circuito da Figura 4.18. ............................................................... 49
Figura 4.20. Último circuito para testes das sondas 1 e 2. .................................................... 50
Figura 4.21. Primeiro circuito para a sonda 4. ....................................................................... 51
Figura 4.22. Segundo circuito para a sonda 4. ...................................................................... 51
Figura 4.23. Terceiro circuito para a sonda 4 (cascata de emissor comum – coletor
comum). ....................................................................................................... 52
Figura 4.24. Resposta do terceiro circuito para a sonda 4. ................................................... 53
Figura 4.25. Bancada de Testes............................................................................................ 54
Figura 4.26. Protoboard com um dos circuitos implementado. ............................................. 55
Figura 4.27. Osciloscópio utilizado no desenvolvimento do trabalho. ................................... 55
Figura 4.28. Montagem em protoboard final.......................................................................... 57
Figura 4.29. Placas de acrílico utilizadas............................................................................... 58
Figura 5.1. Sonda comercial para paquimetria corneana...................................................... 59
Figura 5.2. Sondas desenvolvidas pela equipe do Prof. Dr. Eiras......................................... 60
Figura 5.3. Não casamento de impedância ........................................................................... 60
Figura 5.4. Sonda para ecografia cardíaca............................................................................ 61
Figura 5.5. Figura do casamento de impedância................................................................... 62
Figura 5.6. Eco da sonda para ecografia cardíaca com Vcc=30V......................................... 62
Figura 5.7. Polarização do Circuito com Vcc = 60V (simulado)............................................. 63
Figura 5.8. Ecos com diferentes espessuras de lâminas de acrílico..................................... 64
Figura 5.9. Sinal com ruído (sem média)............................................................................... 65
Figura 5.10. Sinal com pouco ruído (média de 16 amostras)................................................ 65
Lista de Tabelas
Página
Tabela 2.1. Velocidades de Propagação Ultra-Sônica [2,7,8] ............................................. 9
Tabela 2.2. Coeficientes de Reflexão Ultra-Sônicos [6,18,19] ............................................ 18
Capítulo 1: Resumo
1
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 1
Resumo
O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um circuito de excitação para sondas
médicas piezelétricas de alta freqüência, em torno de 1,5 MHz, que é o um primeiro
passo para o desenvolvimento de um projeto maior de circuitos de excitação para
sondas de 10-20MHz, como o intuito de se desenvolver sondas e eletrônicas adequadas
para sistemas de paquimetria ocular.
Foram utilizadas quatro sondas: uma sonda comercial da marca DGH e modelo
B94X4965, com freqüência natural em 10 MHz; duas construídas durante o projeto com
freqüências de 10 MHz e 11,5 MHZ para cada sonda; uma última, cardíaca, com
freqüência natural de oscilação em 1,5 MHz.
O circuito de excitação desenvolvido possui o seguinte princípio: receber um sinal de
disparo com nível de tensão digital (de 0V para 3V-18V) e excitar uma sonda médica
com freqüência natural de oscilação entre 1 MHz e 20 MHz, fazendo com que a mesma
emita ultra-som e receba o eco correspondente. Para tanto, este circuito tem as
seguintes características: um primeiro conjunto que isola a parte digital da analógica de
alta tensão; o seguinte para chaveamento a zero de uma tensão da ordem de centenas
de volts em nano segundos; e um último conjunto para fazer o acoplamento com a sonda
a ser utilizada nos testes.
Os resultados obtidos mostram que para sondas com freqüência natural mais próxima de
1MHz, a relação sinal/ruído é de 6, que é adequada para medidas de espessura da
ordem de alguns mm. Porém, para sondas com freqüência natural em torno de 10MHz
esta relação sinal/ruído ainda não é suficiente para tais aplicações e, como comentado,
será um passo posterior para o desenvolvimento do paquímetro de córnea.
Capítulo 1: Resumo
2
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Abstract
The aim of this work has been the development of an excitation circuit for high frequency
piezoelectric medical probes, around 1,5 MHz, that is it a first step for the development of
a larger project of excitations circuits for probes of 10-20MHz, as the intention of
developing probes and appropriate electronics for systems of ocular pachymetry.
Four probes have been used: a commercial probe DGH model B94X4965, having natural
frequency of 10 MHz; two others, developed during this project and having frequencies of
10 MHz and 11,5 MHz for each probe; a last cardiac probe, having its natural frequency
of oscillation in 1,5 MHz.
The developed excitation circuit consists in: to receive a trigger signal having digital
tension level (0V to 3V-18V) and to excite a medical probe with natural oscillation
frequency between 1MHz and 20MHz, in a way that the same probe emits ultrasound
signals as well as receives the corresponding echo. Hence, this circuit has the following
features: a part of the circuit that isolates the digital part from the high tension analogical
part; another part of the circuit is for triggering the zero of a voltage of the order of
hundreds of volts in 1ns; and a last part of the circuit is for the coupling of the probe to be
used in the tests.
The obtained results show that for probes with natural frequency near 1 MHz, the
relationship signal/noise is 6, which is adequate for measurements of widths of the order
of a few mm. However, for probes with natural oscillation frequency around 10MHz the
ratio signal/noise is still not enough for such applications and, as mentioned previously, it
will be a subsequent step for the development of the corneal pachymeter.
Capítulo 2: Introdução
3
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 2
Introdução
2.1 Introdução
A ultra-sonografia ocular, atualmente, constitui-se em parte essencial na prática
oftalmológica, pois, a partir dos resultados ultra-sonográficos, inúmeras patologias
oculares e orbitárias puderam ser melhores esclarecidas de forma a obter uma maior
precisão diagnóstica e permitir a decisão de uma conduta terapêutica precisa, além de
permitir um melhor acompanhamento a partir da decisão adotada (clínica ou cirúrgica)
[1].
A respeito das indicações das ultra-sonografias oculares, elas são inúmeras. Elas estão
indicadas sempre que houver a necessidade de se avaliar as condições internas do
globo ocular em presença de meios transparentes ou opacos.
A técnica de paquimetria ocular, já amplamente conhecida, utiliza medidas de ultra-som
no modo A e excitação das sondas em alta freqüência, ordem de MHz.
O modo A é bastante importante nas medidas de diferenciação tecidual.
O objetivo maior, e alvo de nossas pesquisas, é o desenvolvimento de um paquímetro
ocular, ou seja, um dispositivo para medir espessuras da córnea por meio de ultra-som.
Como é uma técnica relativamente complexa, desde o domínio de confecção de sondas
especiais até o aprendizado dos circuitos de excitação e recepção do eco, o presente
trabalho é o início de um grande projeto e se atém ao desenvolvimento do circuito de
excitação de sondas médicas de alta freqüência.
A principal motivação para o desenvolvimento de tal equipamento é a detenção de
tecnologia nacional, uma vez que todos os paquímetros corneanos são importados, não
havendo nenhum modelo nacional e/ou pessoal especializado para eventuais reparos
dos que estão em uso no país.
Para a maior compreensão do texto, a física do ultra-som envolvida na paquimetria
ocular será apresentada, bem como o ultra-som modo A.
Capítulo 2: Introdução
4
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
2.2 A Física do Ultra-Som
Desde sua primeira aplicação em oftalmologia em 1956 [1,2,3,4] o ultra-som emergiu
como uma importante modalidade clínica para o diagnóstico de um largo espectro ocular
e anormalidades orbitais. Sua aceitação crescente dentro da comunidade médica
origina-se de sua habilidade para prover imagens de seções transversais altamente
detalhadas do olho e morfologia orbital, de forma rápida e não invasiva, que não causa
nenhuma ameaça significante de dano ao tecido. Além de proporcionar mapas de tecido
com alta precisão e resolução, sistemas ultra-sônicos carregam também informação
sobre várias propriedades de tecido que foram usadas para identificar doença ou dano
com um alto grau de confiança. O uso de ultra-som em diagnósticos e biometria requer
conhecimento de sua natureza física e os fenômenos associados com sua propagação.
O ultra-som é uma onda acústica, que consiste em compressões e rarefação que podem
propagar dentro de fluido e substâncias sólidas. Por definição, uma onda ultra-sônica
tem freqüências acima de 20KHz e só difere de uma onda sônica por suas altas
freqüências fazerem-na inaudível. Por ser uma onda, o ultra-som pode ser direcionado,
pode ser focalizado, e pode ser refletido de acordo com os mesmos princípios que
governam estes fenômenos para outras ondas como a luz, por exemplo. As freqüências
altas (tipicamente 10MHz) e comprimentos de onda pequenos (por exemplo, 150µm) na
forma de ultra-som podem proporcionar a resolução detalhada requerida para exames
oculares.
O uso mais efetivo de ultra-som em exames de tecido mole é feito por sistemas refletivos
("pulso-eco"), análogo aos usados em radar e sonar [2,3,4,5]. Esta aproximação permite
exame dentro de uma fina "fatia" através das estruturas de tecidos em oposto ao sistema
de compressão de dados de tecido em um plano obtido com radiografias. Em sistemas
ultra-sônicos pulso-eco uma abrupta energia ultra-sônica é gerada por um transdutor de
piezelétrico; esta onda atravessa um caminho bem definido no olho a uma velocidade
conhecida e sofre reflexão parcial entre limites de tecidos que apresentam mudanças
abruptas em propriedades acústicas. Estas reflexões, ou ecos, voltam ao transdutor
onde eles são detectados eletricamente e exibidos na forma de gráfico (Modo-A).
Alternativamente, se o transdutor faz uma varredura pelo olho, uma imagem (Modo-B) do
olho varrido e estruturas orbitais podem ser construídas a partir dos ecos.
Os resultados dos Modos A e B descrevem refletivamente a acústica do tecido e também
como é modificado por outras propriedades acústicas (por exemplo, absorção). As
propriedades acústicas são determinadas por fatores que incluem a rugosidade da
superfície, densidade, rigidez, e homogeneidade da textura das estruturas de tecido
examinadas. A interpretação cuidadosa em termos de tais características dos tecidos
conduziu à descoberta altamente segura e identificação de entidades de tecido moles. A
aplicação de métodos ultra-sônicos em capítulos subseqüentes requer uma
Capítulo 2: Introdução
5
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
compreensão dos princípios físicos básicos que se aplicam ao ultra-som. Estes
princípios serão aqui detalhados e descrevem como o ultra-som é gerado e é
descoberto, como é refletido e absorvido em tecidos, e os fatores que influenciam a
resolução que pode ser alcançada examinando o olho e órbita.
2.3 Geração e Descoberta do Ultra-Som
O elemento fundamental em qualquer sistema ultra-sônico é um transdutor piezelétrico,
que é usado gerar uma onda ultra-sônica de um sinal de voltagem aplicado em seus
terminais e detectar ecos ultra-sônicos, que retornam de dentro do olho. Uma unidade de
transdutor consiste em um fino cristal, no formato de disco de um material de piezelétrico
como quartzo, uma seção de apoio e, normalmente, uma lente acústica (figura 2.1), a
qual foca o feixe ultra-sônico gerado. A unidade inteira geralmente é chamada de
transdutor, embora este termo aplica-se somente ao elemento de piezelétrico; também
pode ser chamada de sonda.
Figura 2.1 - Corte do Transdutor
Em sistemas clínicos, os transdutores são emergidos em uma solução salina que está
em contato com o olho; a solução salina cria um caminho de transmissão prático para
acoplamento do olho. É preciso salientar que o ar absorve o ultra-som de alta freqüência
a uma taxa extremamente alta (em alguns sistemas, o transdutor é usado em contato
direto com o globo ocular).
A atual geração e detecção do ultra-som acontecem no material de piezelétrico. A
configuração molecular de um cristal de piezelétrico simples é mostrada
esquematicamente na figura 2.2 [2,3]. As moléculas mostram uma rede de cargas
polarizadas as quais são forçadas a se alinharem na estrutura cristalina, assim sendo as
LENTE ACÚSTICA
CABO
MATERIAL PIEZELÉTRICO
SE
Ç
ÃO DE
APOIO
CONECTOR
CAPA
CONEX
Õ
ES
ELÉTRICAS
INTERNAS
Capítulo 2: Introdução
6
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
cargas de efeito positivo são orientadas para a mesma direção. São geradas ondas ultra-
sônicas quando uma voltagem estiver aplicada do outro lado da superfície plana
cristalina dos eletrodos externos. As moléculas tendem ser extendidas ou comprimidas,
dependente da polaridade da voltagem, causando atração ou repulsão das cargas mais
próximas.
Sem Excitação Com Excitação (Contração)
Figura 2.2 - Esquema representativo da configuração molecular no material de piezelétrico
ilustrando a contração induzida pela aplicação de uma tensão elétrica
Por causa destes efeitos moleculares, a espessura cristalina global é alterada
proporcionalmente à amplitude da tensão aplicada. Quando a polaridade da tensão
aplicada for rapidamente variada, o cristal executa expansões e contrações rápidas
que constituem vibrações ultra-sônicas.
Por outro lado, se o cristal está sem excitação e se expandir por uma onda ultra-
sônica, ocorrerão variações nas distâncias entre as cargas moleculares, o que induz a
uma diferença de potencial elétrico entre os dois eletrodos. A amplitude da tensão
gerada é proporcional a da onda ultra-sônica. Esta tensão pode ser vista prontamente
em um osciloscópio que possibilita visualizar ecos ultra-sônicos, a serem detectados
quando estes retornam do olho.
No passado, foram fabricados freqüentemente transdutores de piezelétrico com cortes
precisos de cristais de quartzo que podem requerer tensões de excitação que
excedem a 1kV [6]. Atualmente, a maioria dos transdutores é fabricada por materiais
mais sensíveis, inclusive sulfato de lítio e cerâmica como zirconato-titanato (PZT), o
que requer aproximadamente 200V para excitação e pode detectar sinais ultra-sônicos
extremamente pequenos que contêm apenas micro-watts de potência. Alguns destes
materiais devem ser polidos antes de serem usados em transdutores. Neste processo,
estes são colocados sob alinhamento de altas tensões constantes e temperaturas
Capítulo 2: Introdução
7
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
elevadas. Uma vez que este alinhamento é alcançado, estes materiais podem gerar e
detectar ultra-som até certo ponto, como descrito acima.
Um cristal de piezelétrico responde ativamente a ondas ultra-sônicas e sinais de
voltagem que têm freqüências que se aproximam de sua freqüência ressonante. Esta
freqüência é determinada pelas densidades cristalinas, e aumenta em função da
diminuição da espessura do cristal. Efeitos de ressonância podem conduzir a séries
prolongadas de vibrações ultra-sônicas que são suprimidas usando seções de apoio,
dessa forma seções de apoio e lentes acústicas são necessárias para exames em
tecido mole com alta resolução.
2.3.1 Propagação do Ultra-Som
Quando um transdutor de piezelétrico é imerso em um fluido e eletricamente
estimulado, suas vibrações geram uma onda ultra-sônica de compressão e rarefação
que propagam pelo fluido [2,3]. Estas ondas, nomeadas ondas ultra-sônicas
longitudinais, são o tipo usado em sistemas médicos. Elas propagam por tecidos mole
da mesma maneira como eles propagam por fluidos.
A propagação ultra-sônica é ilustrada na figura 2.3, onde um pulso de tensão causa a
expansão rápida e pequena de um transdutor de piezelétrico. A extensão da superfície
de transdutor dianteira, inicialmente, comprime a camada fluida adjacente, elevando sua
densidade e pressão. Colisões moleculares aumentadas nesta região de compressão
eventualmente acopla a densidade elevada e pressiona a próxima camada de fluido,
enquanto a região inicialmente comprimida volta para seu estado original. Assim, a
compressão passa da primeira camada para a segunda e, da mesma maneira,
continuamente propaga-se por regiões mais distantes no fluido. Fenômenos
semelhantes acontecem quando o transdutor contrai ao invés de se expandir. Neste
caso, existe a rarefação caracterizada por baixa pressão e densidade do fluido,
propagando-se do transdutor [2,3].
Capítulo 2: Introdução
8
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.3 - Geração e propagação de uma onda ultra-sônica de compressão. A onda é gerada
por uma extensão pequena de uma
superfície
de um transdutor em um fluido
SUPERFÍCIE DO TRANSDUTOR
INICIANDO... REGIÃO DE COMPRESSÃO
INICIANDO... REGIÃO DE COMPRESSÃO
Capítulo 2: Introdução
9
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Substância
Velocidade
(m/s)
Temperatura
Água 1524 37ºC
Humor Aquoso 1532 37ºC
Cristalino 1641 37ºC
Humor Vítreo 1532 37ºC
Gordura 1476 24ºC
Lente com Catarata 1629 37ºC
Esclera 1630 22ºC
Córnea 1550 22ºC
Tabela 2.1. Velocidades de Propagação Ultra-Sônica [2,7,8]
Distúrbios induzidos de compressões e rarefações viajam por uma substância a uma
velocidade (velocidade de propagação) que é determinada pela densidade e
compressibilidade daquela substância. Em materiais com baixas compressibilidades,
como metais, a compressão passa rapidamente desta camada para estender-se em
camadas onde são encontradas velocidades de propagação grandes (por exemplo,
6.000 m/s). Em contraste, materiais que são mais facilmente comprimidos, como fluidos
e tecidos, mostram baixas velocidades (por exemplo, 1.524 m/s em água). Como
mostrado na tabela 2.1, tecidos oculares possuem velocidades de propagação perto da
velocidade na água. A velocidade maior é notada na lente intra-ocular (cristalino).
Velocidades de propagação são dependentes de temperatura; se próximo de 37°C, a
velocidade na lente aumenta de 2 m/s para cada um 1°C elevado na temperatura.
Em sistemas médicos, voltagens de excitação breves são usadas e a superfície de
transdutor vibra várias vezes de um lado para outro a uma taxa igual para sua freqüência
ressonante (por exemplo, 10 MHz). Essas séries de vibrações geram várias regiões
contíguas de compressão e rarefação que se propagam com a velocidade anterior, como
mostrado na figura 2.4. Estas regiões viajam juntas como um pulso ultra-sônico e
causam variações aproximadamente senoidais em densidade e pressão à medida que
atravessam o olho. Sistemas clínicos utilizam apenas movimentos de transdutores
pequenos (excursões totais abaixo de um mícron) e são produzidas somente variações
de pressão pequenas, imperceptíveis e inócuas dentro do olho e órbita.
Capítulo 2: Introdução
10
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.4 - Geração e propagação de uma onda ultra-sônica de compressão. A onda é gerada
por uma extensão pequena de uma superfície de um transdutor em um fluido
SUPERF
Í
CIE DO TRANSDUTOR
PRESSÃO
DIST
Â
NCIA
Capítulo 2: Introdução
11
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Pulsos senoidais geram um comprimento de onda que, como em ótica, é um importante
determinante de muitos parâmetros operacionais, inclusive a resolução. O comprimento
de onda, Λ, é a distância sobre da qual a perturbação de pressão sofre um ciclo
completo. O comprimento de onda é determinado pela freqüência, f, de vibrações do
transdutor e a velocidade de propagação, c, do meio:
f
c
=Λ
(2.1)
Figura 2.5 - Variações de pressão causadas pela passagem de pulso ultra-sônico por A na figura
2.4. A freqüência destas variações é a mesma do transdutor.
Esta relação é obedecida desde que o transdutor gere o mesmo nível de pressão a cada
1/f segundos, e esta pressão viaja a uma velocidade igual a c. Em água, operando
em10MHz, produz-se um comprimento de onda de 0,15mm, que é comensurável com
densidades da retina; aumentando-se a freqüência para 20MHz, diminui-se o
comprimento de onda para 0,075 mm.
O conceito de comprimento de onda descreve a distribuição de espaço de pressão a um
único momento de tempo. Além disto, porém, deve-se lembrar que pulsos ultra-sônicos
propagam-se continuamente por estruturas de tecido a velocidades altas, enquanto
causam oscilações de pressão rápidas conforme elas viajam por pontos no interior do
olho. Na realidade, como mostrado na figura 2.5, a pressão em um ponto no olho varia à
mesma taxa (por exemplo, 10 MHz) em que o transdutor vibra.
As ondas discutidas até o momento são ultra-sônicas longitudinais. Podem ser gerados
vários outros tipos de ondas ultra-sônicas em certos materiais, mas não serão
importantes em exames oftálmicos. Ondas superficiais (Rayleigh) ondas cortantes
(transversal), são alguns exemplos. Ondas transversais são estimuladas em sólidos
PRESSÃO
TEMPO
Capítulo 2: Introdução
12
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
quando uma superfície do transdutor vibrar dentro de um plano (vide figura 2.6). Este
movimento causa um corte na região adjacente do sólido, que é transmitido
progressivamente mais adiante das regiões dentro do sólido. Ondas transversais
acoplam pobremente fluidos e tecidos e são dissipadas por viscosidade a taxas muito
rápidas, de forma que eles não podem ser utilizados em sistemas de visualização
oftálmicos.
Figura 2.6 - Geração e propagação de onda transversal ultra-sônica em um sólido. A onda é
gerada por uma força tosquiando à superfície do transdutor. Deslocamentos internos são
perpendiculares a direção de propagação.
SUPERF
Í
CIE DO TRANSDUTOR
INICIAND NA REGIÃO TRANSVERSAL
PROPAGAÇÃO DA ONDA TRANSVERSAL
Capítulo 2: Introdução
13
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
2.3.2 Reflexão de Ultra-som
A reflexão de ultra-som ocorre quando são refletidos pulsos ultra-sônicos entre limites de
meios que possuem diferentes características mecânicas. A figura 2.7 ilustra o caso
extremo de reflexão total em uma parede rígida que limita um fluido de profundidade L.
Quando a compressão incidente alcançar a parede, são redirecionadas as forças
expansivas que acompanham colisões moleculares atrás do fluido e os mesmos
fenômenos descrevem o meio pelo qual o pulso viaja pelo fluido na direção inversa. O
pulso refletido chega no transdutor depois de um intervalo de tempo igual a 2 L/c e gera
uma voltagem no transdutor como mostrado na figura. A observação desta voltagem
produzida não só permite a detecção do limite como também especifica L se c for
conhecido. Deve-se notar que o tempo entre o começo do pulso e a voltagem de eco só
depende de L e c; a forma de onda e a duração de tempo do pulso são dependentes das
características do pulso ultra-sônico e dos parâmetros do transdutor, como discutido
subseqüentemente.
Capítulo 2: Introdução
14
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.7 - Reflexão total de um pulso ultra-sônico em um limite rígido. Tensão na saída do
transdutor mostra o pulso de excitação e o pulso de eco de forma que o tempo de trânsito total
pode ser medido.
PAREDE R
Í
GIDA
SUPERF
Í
CIE DO TRANSDUTOR
L
PULSO DE EXCITAÇÃO
TENSÃO NA SA
Í
DA DO TRANSDUTOR
PULSO DE ECO RECEBIDO
2L/C
TEMPO
Capítulo 2: Introdução
15
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
No olho surge uma reflexão semelhante sempre que um pulso encontra um limite entre
duas estruturas oculares. No entanto, tecidos oculares mostram propriedades mecânicas
semelhantes de forma que, apenas uma pequena fração do pulso incidente é refletida. A
maioria da energia incidente é transmitida e segue sofrendo reflexões parciais a cada
interface sucessiva.
As superfícies refletivas principais no olho normal são a córnea, o cristalino e camadas
da parede do fundo do olho. A figura 2.8 apresenta um diagrama destas superfícies com
dimensões típicas e também ilustra as voltagens de eco no transdutor que surgem de
cada interface. Os resultados clínicos correspondentes são mostrados na figura 2.9
[1,2,4,11,12,13,14,15]. O intervalo de tempo entre pulsos de voltagem pode ser usado
para determinar as dimensões do tecido correspondente ao segmento, desde que as
velocidades de propagação pertinentes são conhecidas. Especificamente, o intervalo de
tempo entre ecos sucessivos é igual a 2 L/c onde L é a espessura de tecido
correspondente. Assim, os ecos de lente estão separados por 5µs, então L = 4mm, uma
vez que c = 1.641 m/s.
Sistemas de Biometria que usam esta aproximação são capazes de medir dimensões
com precisões de aproximadamente ±250µm e projetados especialmente para
alcançarem precisões de ±20µm em determinações de comprimento axiais.
Capítulo 2: Introdução
16
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.8 - Representação esquemática de interfaces entre a córnea (C), o humor aquoso (UM), a
lente (L), o humor vítreo (V) e a retina (R). As voltagens do transdutor denotam os ecos das
superfícies da córnea anterior e posterior (AC e PC), lente (AL e PL) e retina (R). Podem ser
usados intervalos de tempo medidos com dados de velocidade para determinar os
comprimentos de cada segmento ocular
TRANSDUTOR
ACOPLAMENTO
SALÍNICO
ESPESSURA DO TECIDO (mm)
TENSÃO NA SAÍDA DO
TRANSDUTOR
TEMPO
INTERVALOS DE TEMPO (µs)
Capítulo 2: Introdução
17
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.9 - Voltagens de eco obtidas no olho; a série de ecos correspondem às interfaces
mostradas na figura 2.8. Os ecos oculares seguintes formam um padrão de eco complexo por
espalhamento dentro da gordura orbital.
A intensidade das reflexões ultra-sônicas depende das impedâncias acústicas
características, Z, de tecidos adjacentes. A impedância característica de um tecido está
definida como o produto de sua densidade, ρ, e velocidade de propagação c:
cZ
⋅=
ρ
(2.2)
A relação, R, da amplitude de pressão do pulso refletido em relação ao pulso incidente é
igual a:
21
21
ZZ
ZZ
R
+
−
=
(2.3)
R é chamado de coeficiente de reflexão, e o esquema da figura 2.10 mostra a estrutura
entre o primeiro e o segundo tecido, respectivamente.
Capítulo 2: Introdução
18
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.10 - Diagrama dos caminhos dos pulsos incidente, refletido e transmitido em uma
interface de tecido sob incidência normal. As impedâncias acústicas características de ambos
os tecidos determinam as relações entre as amplitudes destes pulsos
O valor do coeficiente de reflexão é uma importante característica de identificação de
tecido e em muitos casos podem ser averiguadas as magnitudes das voltagens de eco
correspondentes. Desde que R dependa de Z
2
– Z
1
, seu valor depende das impedâncias
acústicas características de tecidos em ambos os lados de limites oculares. Assim, a
reflexão de um corpo estranho (Z grande) será menor se for situado em um coágulo de
sangue (Z moderado), que se estiver situado no humor vítreo (Z pequeno). Dentro de
estruturas homogêneas como o humor vítreo, Z é uma constante e nenhuma reflexão
surge. Em estruturas heterogêneas (por exemplo, lente com catarata), Z pode variar de
um ponto para outro e, adequadamente, são gerados ecos das interfaces de dentro
destas estruturas.
Interface
Coeficiente de
Reflexão
Água – Alumínio 0,85
Córnea – Humor Aquoso -0,06
Humor Aquoso – Lente 0,07
Lente – Humor Vítreo -0,07
Humor Vítreo – Retina 0,01
Retina – Coróide 0,001
Tabela 2.2. Coeficientes de Reflexão Ultra-Sônicos [6,18,19]
Como mostrado na tabela 2.2, a maioria das estruturas normal e patológicas dão origem
a reflexões pequenas que variam de 7% na interface do humor aquoso e a para
aproximadamente 0,1% na interface retina – coróide. São encontrados coeficientes de
PULSO INCIDENTE
PULSO TRANSMITIDO
PULSO REFLETIDO
MEIO 1
MEIO 2
Capítulo 2: Introdução
19
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
reflexão que excedem 10 por cento com corpos estranhos rígidos. Valores negativos de
R acontecem nas interfaces como córnea – humor aquoso onde Z1 (córnea), é maior
que Z2 (humor aquoso). Fisicamente, isto diz que o componente de compressão da onda
incidente é refletido como um componente de rarefação e vice-versa. As voltagens de
eco geradas de tais superfícies são invertidas por causa desta inversão acústica.
Vários fatores modificam as amplitudes de eco observadas em prática. Se um feixe ultra-
sônico encontrar uma interface de tecido a um ângulo oblíquo, então, a pressão refletida
recebida no transdutor é menos que o descrito acima. O coeficiente de reflexão neste
caso depende do ângulo de incidência, aspereza de superfície e comprimento de onda
do ultra-som. As amplitudes de eco de superfícies ásperas variam mais lentamente com
ângulo de incidência comparados a esses em superfícies lisas (figuras 2.11 e 2.12).
Figura 2.11 - Reflexão em superfície plana normal e incidência oblíqua. Incidência oblíqua resulta
em amplitudes de eco baixas e duração aumentada devido à variação em trânsito cronometrada
ao longo dos feixes
AMPLITUDE
DO ECO
AMPLITUDE
DO ECO
TEMPO
TEMPO
INCIDÊNCIA NORMAL
INCIDÊNCIA OBLÍ
Q
UA
Capítulo 2: Introdução
20
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.12 - Reflexão em interface áspera. Aspereza de superfícies redireciona a energia em uma
variedade de direções que causam amplitudes de eco menores e durações maiores. Incidência
oblíqua não afeta a amplitude do eco como em superfícies lisas
A intensidade do eco também pode mudar se a borda do tecido estiver curvada de forma
aguda por causa dos fenômenos de focalização e desfocalização, como ilustrado na
figura 2.13.
Finalmente, as reflexões são modificadas por causa de atenuação que surge por
absorção e outros fatores que diminuem as amplitudes dos pulsos ultra-sônicos
incidentes e refletidos.
Figura 2.13 - Reflexão em superfície curva. Propagação do feixe na reflexão reduz amplitudes de
eco
VOLTAGEM
DO ECO
VOLTAGEM
DO ECO
TEMPO
TEMPO
INCIDÊNCIA NORMAL
INCIDÊNCIA OBLÍ
Q
UA
Capítulo 2: Introdução
21
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Outro tipo importante de reflexão ultra-sônica é o espalhamento que surge de superfícies
refletivas pequenas, pouco espaçadas como estruturas de tumor internas (vasos
sanguíneos pequenos, calcificação depositada, agregados celulares, etc.) e o tecido
séptico conjuntivo de gordura orbital. Reflexões destes tecidos distribuídos causam
voltagens de eco complexas nas quais são sobrepostas as contribuições desses arranjos
muito pequenas e individuais, como mostrado nas figuras 2.9 e 2.14. Os padrões de eco
globais são determinados por numerosos fatores que incluem propriedades de
espalhamentos geométricos (tamanho, forma e orientação), a distribuição de espaço de
interfaces, absorção e comprimento de onda ultra-sônico. Diagnosticamente a
informação útil é obtida freqüentemente examinando estes ecos padrões comparados a
características como a taxa na qual as amplitudes diminuem com a profundidade do
tecido. Mudanças dependentes da freqüência nestes padrões podem se tornar um fator
importante na identificação de tecidos. O espalhamento em tecidos biológicos é pouco
explorado ainda atualmente, mas nesta área que devem ser alcançados avanços
principalmente para maior precisão em diagnósticos.
Figura 2.14 - Espalhamento em tecidos não homogêneos distribuídos. A voltagem de eco consiste
na sobreposição de ecos de muitas partículas
VOLTAGEM
DO ECO
TEMPO
Capítulo 2: Introdução
22
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
2.4 Modos de ultra-som
Três tipos de sistemas ultra-sônicos têm aplicação em oftalmologia; estes foram
nomeados de Sistemas de Modo-A, Modo-B e Modo-M [1,2,4,15]. Cada um destes
apresenta informações morfológicas em um formato de exibição distinto. Sistemas de
Modo-A, graficamente, mostram limites de tecido em função da distância ao longo de
qualquer eixo selecionado (figura 2.15). Este sistema foi o primeiro a ser usado em
oftalmologia, sendo os resultados importantes para quantificar características de eco e
para aplicações de biometria. Os Sistemas de Modo-B foram introduzidos no início da
década de 1950, produzindo representações transversais do olho e anatomia orbital
(figura 2.16), as quais são facilmente interpretadas; estas imagens provaram ser
extremamente úteis no diagnóstico de um espectro largo de estados de doença.
Sistemas de Modo-M apresentam, em função do tempo, movimentos de tecidos ao longo
de um eixo selecionado do olho (figura 2.17).
Após tratar os princípios físicos básicos dos sistemas ultra-sônicos, é a eletrônica que
traduz estes princípios em sistemas clínicos práticos. Dispositivos eletrônicos são usados
para gerar pulsos ultra-sônicos, enquanto processam ecos e exibem a ultra-sonografias.
Figura 2.15 - O Modo-A resulta mostrando a refletividade efetiva do tecido (eixo vertical) versus o
tempo ou, equivalentemente, a distância. Sinais de vídeo e R.F. introduz ruídos nas interfaces
como mostradas na figura 2.8.
Capítulo 2: Introdução
23
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.16 - Imagem em Modo-B de um olho normal, descrevendo as estruturas oculares
principais e a gordura de retrobulbar. O nervo ótico não refletivo aparece como uma região
escura dentro do padrão de gordura
Figura 2.17 - Histórico no tempo em Modo-M que mostra as posições das interfaces de tecido em
função do tempo. (Barras verticais indicam períodos de acomodação)
ESFÍNCTER
DA ÍRIS
TEMPO (S)
LENTE - POSTERIOR
RETINA
CORÓIDE
LENTE - ANTERIOR
C
Ó
RNEA - POSTERIOR
C
Ó
RNEA - ANTERIOR
DIST
Â
NCIA
Capítulo 2: Introdução
24
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
A qualidade global de uma ultra-sonografia fica em termos de três parâmetros:
resolução, sensibilidade e faixa dinâmica. Resolução está intrínseca à freqüência e
disposição das partes que constituem a sonda, como visto anteriormente; A
Sensibilidade recorre ao refletor mais fraco que pode ser descoberto em uma ultra-
sonografia. A Faixa Dinâmica descreve a expansão das amplitudes de eco que são
retratadas com precisão em uma ultra-sonografia.
2.4.1 Gerador de Pulsos Eletrônicos
O Gerador de Pulsos Eletrônicos repetidamente "excita por choque" o transdutor com
pulsos de considerada amplitude de tensão em um curto intervalo de tempo, aplicados
pelos eletrodos de seu elemento piezelétrico [2]. Cada excitação resulta na geração de
um pulso ultra-sônico. A taxa de repetição de pulso deve ser bastante baixa para permitir
que todos os ecos significativos sejam recebidos pelo transdutor antes do próximo pulso
ultra-sônico ser gerado. Tipicamente, uma taxa a 1kHz é usada de forma que um pulso é
gerado a cada 1ms, enquanto são precisos apenas 67µs, os quais permitem a recepção
de ecos das porções mais profundas da órbita.
A duração do pulso de excitação é um fator importante e determinante na resolução de
um sistema ultra-sônico. Excitação por pulso longo resulta em longos pulsos ultra-
sônicos e resolução axial baixa concomitante. A amplitude do pulso de excitação é
importante para que seja alcançada a sensibilidade adequada. Tipicamente, 200-400V
de amplitude resultam em pulsos ultra-sônicos grande o bastante para produzir ecos
detectáveis a partir da reflexão das interfaces como a do vítreo-retina.
Em muitos sistemas, um controle de “carga” e "descarga" de energia permite variar o
pulso de excitação entre extremos em um curto tempo. Pode-se gerar, assim, pulsos
curtos de baixa amplitude (proporcionando resolução alta, mas baixa sensibilidade) e
pulsos longo de alta amplitude (proporcionando baixa resolução, mas alta sensibilidade).
O clínico deverá decidir a combinação de resolução e sensibilidade que são mais
vantajosos em uma determinada situação. Podemos notar uma diagramação simples em
blocos deste conjunto na figura 2.18.
Capítulo 2: Introdução
25
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-som Médicas de Alta Freqüência
Figura 2.18 - Histórico no tempo em Modo-M que mostra as posições das interfaces de tecido em
função do tempo. (Barras verticais indicam períodos de acomodação)
A seguir, circuitos de excitação de sondas piezelétricas são descritos para que
possamos, então, apresentar nossos circuitos desenvolvidos durante este trabalho.
GERADOR
PULSOS
SAL
Í
NICA
TRANSDUTOR
RECEPTOR
MONITOR
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
26
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 3
O estado da Arte de Circuitos de
Excitação
3.1 Circuitos de Excitação para Sondas Médicas
Pulso-Eco
Os circuitos de excitação são circuitos capazes de controlar a carga e descarga de
energia aplicada sobre um transdutor para que este possa oscilar em sua freqüência
natural de ressonância. No entanto, no interior das sondas existe um material de apoio,
que funciona como um amortecedor a esta oscilação e, dessa forma, os resultados são
pouquíssimos ciclos ou períodos (idealmente seria um) de ultra-sons gerados para
tramitarem no meio adjacente à sonda.
A duração do pulso de excitação precisa ser menor (idealmente menor que 10 vezes)
que um período da freqüência de natural ressonância do transdutor. Ainda, como o
cristal do transdutor tem um comportamento praticamente capacitivo no instante em que
o pulso é aplicado, é indiferente o pulso ser positivo ou negativo ou ainda ter uma
componente de tensão DC, visto que este será derivado pelo comportamento elétrico do
transdutor. Assim sendo, não há a necessidade de o pulso voltar rapidamente ao seu
estado de origem, ficando, portando, aproximado a um degrau seguido de uma rampa.
Como é de forma geral mais simples criar um degrau negativo, a grande maioria dos
circuitos apresentam, em relação ao seu ponto-terra, um pulso de excitação negativo
aplicado aos terminais dos transdutores a serem utilizados. Isto é melhor exemplificado
pela figura 3.1 Figura 3.1 -[28], onde pode-se ver um pulso de excitação em aberto.
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
27
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 3.1 - Pulso de Excitação em Aberto
Na figura 3.1 tem-se um típico pulso de excitação, o qual possui uma ordem de variação
de 400V em 20ns totais, notado que o tempo de queda (10% a 90%) se dá em 10ns, o
que possibilitaria excitar uma sonda de até 100MHz. Mas, considerando-se que
idealmente busca-se um tempo 10 vezes menor que o do período da freqüência natural
de ressonância do transdutor, estaria limitada a 10MHz.
Os princípios básicos para estes circuitos se dão por dois caminhos: derivação e
amplificação de um degrau de baixa tensão (alguns volts, menor que 10V) para se obter
centenas de volts; e carga e descarga de energia de um capacitor [16,28,29,30]. Em
ambos princípios é desejável, porém não obrigatório, o casamento de impedância, o qual
se dá através da associação de uma indutância na saída do circuito que será entrada
para o transdutor.
No primeiro caso, onde o sinal derivado é amplificado, chamado aqui de amplificador
direto, o sistema pode ser composto por um circuito analógico diretamente conectado ao
transdutor, onde o diagrama em blocos correspondente está na figura 3.2.
Figura 3.2 - Diagrama em blocos do Amplificador Direto
Degrau
Diferenciador
de Subida
Driver ou
Buffer
Amplificador
Analógico
Casamento de
Impedância
Sonda
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
28
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Seguindo a lógica do Digrama em blocos da figura 3.2, o bloco “Degrau” pode ser
constituído por qualquer dispositivo de lógica digital (de 3 a 18 V) que gere um degrau
em intervalos de tempos regulares, como um circuito astável de pulso longo.
Já o “Diferenciador de Subida” compreende um circuito que será apenas sensível ao
degrau de subida gerado pelo circuito do bloco “Degrau”, notado que este sempre gerará
um degrau de subida e outro de descida. Assim sendo, a saída deste bloco será afetada
apenas pelo degrau de subida, ignorando os de descida. Este pode ser composto por um
sistema de derivação por capacitores na entrada e na saída e transistores em disposição
de emissor comum de classe B.
O “Driver ou Buffer” é um circuito necessário, caso a saída do “Diferenciador de Subida”
não for suficientemente grande para a entrada do amplificador. Ele nada mais é do que
um pré-amplificador polarizado para surtir tal efeito.
No bloco do “Amplificador Analógico” estará inserido um transistor de alta voltagem (em
termos de circuitos eletrônicos), o qual será polarizado adequadamente e responsável
pela geração do pulso final.
Caso seja conveniente, ao passo que é também desejável, fazer um “Casamento de
Impedância” com a “Sonda” pode significar menos ruídos e melhor transmissão da
potência de saída da eletrônica para a entrada da “Sonda”. Isto pode ser feito através do
uso de indutâncias na disposição de associação.
Deve-se notar, no entanto, que para se obter a resposta de tempo esperada conjugada
com o pulso de tensão desejado aplicado sobre o transdutor, todos os elementos
eletrônicos devem ser dimensionados para responderem e suportarem tais parâmetros,
o que implica em uma varredura sobre uma vasta gama de componentes e combinação
dos mesmos para se obter o resultado final adequado à realidade da aplicação.
Este circuito pode ser exemplificado pelo mostrado na figura 3.3.
Figura 3.3 - Circuito Exemplo do Amplificador Direto [5]
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
29
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Como um segundo caso de estudo dos princípios básicos para circuitos de excitação da
sonda, tem-se um mais complexo, o denominado aqui de Circuito de Carga e Descarga.
Neste circuito um capacitor é carregado lentamente, e rapidamente descarregado sobre
a sonda. Para melhor apresentar este circuito tem-se o diagrama em blocos da figura
3.4.
Figura 3.4 - Diagrama em blocos do Circuito de Carga e Descarga
Neste diagrama, os blocos “Degrau” e “Diferenciador de Subida” já foram descritos
anteriormente pelo
Diagrama em Blocos do Amplificador Direto
.
A “Chave” é o elemento mais delicado neste circuito, pois ela é a componente que
definirá de maneira geral o tempo de queda do degrau (uma rampa muito inclinada na
prática) de descarga do capacitor sobre a sonda. Assim sendo, uma chave lenta acarreta
em pulsos de excitação com tempos de queda grandes, o que limita a faixa de
freqüência dentro da qual pode-se usar os transdutores. Dependendo do caso, pode-se
usar desde tiristores lentos (da ordem de µs) a transistores CMOS (ou variações) rápidos
(da ordem de ns). Também dependendo do dispositivo da chave, pode-se fazer
necessário o uso de um “Driver”.
O “Armazenador de Energia” nada mais é que um capacitor que é carregado quando a
chave estiver em aberto e descarregado quando a mesma estiver em curto, invertendo
desta forma a amplitude da tensão em relação a seus pólos.
O bloco denominado “Inversor Rápido” é constituído por um dispositivo que bloqueia a
passagem de corrente que carrega o capacitor para o restante do circuito e não interfere
de forma significativa quando houver inversão na polaridade do capacitor pela ação da
chave, possibilitando assim a passagem de corrente no sentido oposto. Portanto, um
dispositivo eletrônico com estas características é conhecido como diodo de recuperação
rápida (“
Fast Recovery Diode
”), onde sua principal característica é uma baixa
capacitância de junção.
Degrau
Diferenciador
de Subida
Chave
Armazenador
de Energia
Inversor Rápido
de Pulso
Casamento de
Impedância
Transdutor
Desacoplamento
e Limitador
Filtro e/ou
Pré-Amplificador
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
30
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Seguindo o diagrama, o “Casamento de Impedância” já foi descrito e os blocos
“Desacoplamento e Limitador” e “Filtro e/ou Pré-Amplificador” ficam por conta do
dispositivo de exibição do sinal, no caso o osciloscópio.
Este circuito pode ser exemplificado na figura 3.5.
Figura 3.5 - Circuito Exemplo do Circuito de Carga e Descarga [28,29,30]
Assim, com estas informações básicas foi possível construir um circuito de excitação
básico para sondas médicas piezelétricas, como apresentado nos capítulos a seguir.
3.2 Circuitos de Excitação para Altas Freqüências
Circuitos de excitação voltados para faixas de alta freqüência podem ser constituídos
levando-se em conta os dois princípios, porém, devido à baixa corrente utilizada pelo
Circuito de Carga e Descarga, é um circuito bastante interessante, principalmente em
sistemas portáteis.
Uma forma de se conseguir tensões elevadas a partir de pilhas e bateria seria usar um
circuito como mostram as figuras 3.6 [32] e 3.7 [33].
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
31
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 3.6 - a) Circuito de Geração de Alta Tensão a Baixa Corrente; b) Transformador de
estroboscópio que pode ser usado no circuito (transformação 1:20)
Figura 3.7 - Circuito de Geração de Alta Tensão a Baixa Corrente
Estes circuitos possibilitam que, a partir de uma fonte de tensão contínua, possa-se
gerar uma tensão alternada através de osciladores, no caso, da família 555. As saídas
destes osciladores contêm
buffers
(transistores e/ou circuitos integrados) de forma a
“chavearem” correntes maiores do que as suportadas pelos circuitos integrados 555.
Essa corrente chaveada passa por uma das indutâncias do transformador gerando o
campo magnético correspondente e induzindo nos terminais da outra indutância a tensão
de transformação correspondente. A partir, então, desta tensão, pode-se usar diodos
com a finalidade de carregar capacitores e retificar a nova tensão obtida, fazendo um
armazenamento primário de energia para ser fornecido, quando necessário, ao circuito
no qual será conectado.
b)
a)
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
32
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
No entanto, um transformador transfere potência, o que significa que, se for elevada a
tensão de 9V para 180V, isto é, de 20 vezes, e for necessária uma corrente média de
10mA na saída, se faz necessário no mínimo 200mA, na entrada, o que pode
rapidamente descarregar as baterias, se ligado constantemente.
A partir destes circuitos, pode-se carregar um capacitor de forma lenta e chaveá-lo
rapidamente, como por exemplo, circuitos baseados em transistores MOS-FET,
apresentado na figura 3.8.
Figura 3.8 - Circuito de Carga e Descarga
No Circuito da figura 3.8, além da sonda (transdutor representado por Z
T
), têm-se três
entradas: Vcc, e
1
e V
D
. Vcc é a tensão contínua, que será utilizada pelo
Diferenciador de
Subida e pelo driver para o transistor MOS-FET (M
1
). A entrada e
1
corresponde ao pulso
que será responsável pelo fechamento da chave e conseqüente pela emissão do pulso
de excitação sobre o transdutor e; V
D
será a tensão aplicada no dreno (D) do MOS-FET
(M
1
).
O Diferenciador de Subida e o driver são unificados pelo conjunto de capacitores e
resistores ligados a T1, T2 e T3, inclusive estes. Este conjunto é o responsável em criar
um pico com propriedades de uma tensão baixa (alguns Volts) e corrente alta (alguns
Ampéres) para poder disparar o mais rápido possível a chave M
1
, a qual possui “alta”
capacitância de entrada e exige uma energia considerável para entrar em modo de
condução, não sendo possível, portanto, ser fornecida a partir de um sistema digital.
O transistor M
1
é, neste caso, o responsável por realizar o degrau de alta tensão, pois
sua propriedade e tecnologia MOS-FET faz com que este suporte altas tensões em
termos de eletrônica entre o dreno (D) e a fonte (S), e seja mudado de estado para
Pré-amplificador
de banda larga
-5
+5
T2
r
1
0 – 500V
V
D
R
2
R
1
V
0
60 ns
R
C
Saída da
Eletrônica
Analógica
e
1
T1
Saída da
Eletrônica
Digital
M
1
T3
D
2
x 5
R
0
L
0
Z
T
Limitador
a ±5V
Recepção
Emissão
Desacoplamento
D
1
x 3
Fast TTL
C
Z
-V
D
R
1
« (R
0
// Z
T
)
Vcc
Capítulo 3: O Estado da Arte de Circuitos de Excitação
33
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
baixas tensões (alguns Volts), porém se faz necessário uma corrente razoável para este
responder em seu tempo nominal de fabricação (alguns nanosegundos ou menos). Esta
velocidade ainda é melhorada pela disposição dos diodos Z e D2, os quais criam uma
espécie de buffer, a ser abruptamente extravasado quando a taxa de carga da
capacitância interna de M
1
já estiver bastante elevada.
Tem-se também a colocação de diodos em disposições em série e paralelo, as quais são
para “aumentar” a tensão e a corrente suportadas pelos mesmos, respectivamente.
Os Resistores R
C
e R
1
são limitadores, ou seja, R
C
limita a corrente que é drenada da
“fonte” de alta tensão, seja quando a chave eletrônica M
1
estiver aberta e carregando o
capacitor C ou quando esta estiver fechada, o que causa praticamente um curto entre R
C
e o ponto-terra do circuito. Note também que, dessa forma limitam-se as correntes que
passam por M
1
quando fechada e que, carregam o capacitor, sendo às vezes
desnecessárias se usar fonte de alta tensão com limitador de corrente baixa, como os
circuitos mostrados anteriormente. O resistor R
1
, por sua vez, limita a corrente de
descarga do capacitor, sendo que esta também é praticamente a mesma que passa pelo
transdutor.
Os componentes R
0
e L
0
são utilizados para efeitos de casamento de impedância e
ajuste da amplitude de excitação e sensibilidade.
Recebido o sinal, R
2
trabalha em conjunto com o limitador a ±5V, para que,
principalmente o sinal excitação, não chegue em sua amplitude total à entrada do Pré-
Amplificador, o qual tem como máxima entrada 5V, em geral.
O Pré-Amplificador deve ser um circuito (integrado ou discreto) que possua largura de
banda de passagem, ou seja, freqüência de corte, maior do que a freqüência natural de
ressonância do transdutor, pois somente desta forma pode-se amplificar o sinal
recebido.
Por fim, em r
1
ter-se-á o sinal esperado e já amplificado, porém pode-se notar este já no
ponto V
0
, como ilustram os gráficos em balões na figura 3.8, por meio de um sistema
como o osciloscópio, por exemplo.
A partir deste ponto segue o processamento (analógico ou digital) deste sinal resultante
para convertê-lo em informações úteis para os clínicos poderem diagnosticar e auxiliar
estes em tomadas de decisões importantes.
De posse então deste circuito, com o osciloscópio conectado nos terminais que iriam
interfacear com a sonda, tem-se um sinal como o esperado, mostrado na figura 3.1.
Assim, com estas informações básicas foi possível construir um circuito de excitação
básico para sondas médicas piezelétricas, como apresentado nos capítulos a seguir.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 34
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 4
Materiais e Métodos
Neste projeto foram utilizadas várias sondas para se desenvolver o circuito. Sondas de
paquimetria comerciais, sondas que estão em desenvolvimento pelo nosso grupo e uma
sonda para ecografia, obtida na EESC-USP.
Todas elas possuem características semelhantes: freqüência de excitação da ordem de
MHz, são construídas por cerâmicas piezelétricas e são do tipo pulso-eco.
4.1 As Sondas Utilizadas
Foram utilizadas para testes quatro sondas de ultra-som: duas desenvolvidas no
Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos, com freqüência de
excitação de 10MHz (vide figura 4.1), que denominaremos aqui por sonda 1
e outra com
freqüência de excitação de 11,5MHz (vide figura 4.2), que denominaremos aqui por
sonda 2;
uma de um paquímetro comercial DGH 4059 (vide figura 4.3), que
denominaremos aqui por sonda 3
; e uma última sonda, sendo para diagnósticos
cardíacos, que denominaremos aqui por sonda 4
(vide figura 4.4); obtida junto ao
Departamento de Engenharia Elétrica da Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, que foi desenvolvida pelo Professor Edson Gesualdo e
possui freqüência de oscilação de 1,5MHz. Esta última foi a mais utilizada em nosso
trabalho por ser bem caracterizada, uma vez que foi desenvolvida e amplamente testada
pelo grupo do Prof. Edson.
Figura 4.1 - Sonda 1, com freqüência de excitação de 10 MHz, desenvolvida pelo nosso grupo em
conjunto com a UFSCar.
Figura 4.2 - Sonda 2, com freqüência de excitação de 11,5 MHz, desenvolvida pelo nosso grupo
em conjunto com a UFSCar.
.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 35
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.3 - Paquímetro comercial DGH 4059 com a Sonda 3.
Figura 4.4 - Sonda de ecografia desenvolvida na EESC-USP.
As sondas 1 e 2 foram avaliadas de acordo com sua reposta em freqüência no próprio
local de fabricação, já equipado para efetuar tais levantamentos. Os resultados deste
equipamento são a freqüência natural de oscilação e a impedância ou admitância nesta
freqüência.
Foi feito o levantamento das características mecânicas e elétricas da sonda 3, tendo-se
também a freqüência natural de oscilação e a impedância ou admitância nesta
freqüência.
Por final, foi testada a sonda para ecografia, cuja freqüência natural de oscilação é de
1,5 MHz. Esta sonda apresenta a característica e aplicação de ser sensível à variação
do fluxo de sangue na circulação, de forma a ser um método não invasivo de avaliação
de distâncias. Porém, devido ao seu princípio de funcionamento ser pulso-eco, e
trabalhar com alta freqüência, a mesma pode ser utilizada para mensurar espessuras
relativamente pequenas e uma sonda didática para a construção do circuito que possui
estreitas semelhanças com as do paquímetro, que por sua vez devem ter o sinal
amplificado, como veremos no decorrer deste trabalho.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 36
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
As curvas características mostram como a admitância ou a impedância variam em
relação à mudança da freqüência de entrada nos terminais da sonda. Dessa forma,
pode-se encontrar a freqüência de ressonância na qual a impedância é mínima e,
portanto, a admitância é máxima, e a freqüência de anti-ressonância, na qual a
impedância é máxima e, portanto, a admitância é mínima.
Com estes valores é possível se ter uma idéia melhor do circuito eletrônico a ser
construído para o melhor desempenho em resposta de cada sonda utilizada. Isto é
apenas um ponto de partida, pois cada circuito precisa ser sintonizado com a sonda,
após conseguir uma resposta da mesma, de modo a poder avaliar esta, conforme a
variação de alguns parâmetros no circuito eletrônico, que deverá apresentar um conjunto
de parâmetros onde se obtém a melhor resposta.
4.2 Circuitos Desenvolvidos
Vários circuitos foram desenvolvidos na tentativa de se obter a excitação da sonda de
ecografia, que é o objetivo de nosso trabalho, uma vez que esta sonda é a única que
temos total controle, por ser fabricada no Brasil, por um professor que nos forneceu
todas as suas características.
Todas as sondas comerciais são segredos tecnológicos e as informações que os
fabricantes nos proporcionam são insuficientes para se construir um circuito eletrônico
para elas. Por outro lado, a sonda de paquimetria que está sendo desenvolvida para o
projeto maior, que é o paquímetro corneano, ainda não está suficientemente adequada
para ser testada. Assim, a sonda cardíaca passou a ser o nosso objeto de estudo para o
aprendizado e desenvolvimento de circuitos de excitação para sondas de ultra-som de
alta freqüência.
Todos os circuitos estão descritos a seguir, apontando as limitações de cada um até
atingirmos o circuito de excitação final.
4.2.1 Primeiro Circuito
Com as informações das curvas características da Sonda 1, deu-se início à pesquisa de
possíveis circuitos que poderiam ser projetados para tal finalidade.
O primeiro circuito de excitação da sonda baseia-se na idéia de carga lenta de um
capacitor, e descarga rápida do mesmo sobre a sonda, em série com um indutor, para
finalidades de casamento de impedância de entrada. Um diagrama em blocos mostrando
este princípio pode ser analisado através da figura 4.5.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 37
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.5 - Diagrama em Blocos do Primeiro Circuito de Excitação.
No diagrama em blocos apresentado na figura 4.5 temos as seguintes descrições:
- Oscilador: circuito responsável por periodicamente emitir um pulso na forma mais
aproximada possível de um degrau.
- Controle de nível: conjunto de dispositivos eletrônicos para formar um diferenciador,
buffer e/ou driver para a chave conforme suas exigências
- Chave: dispositivo que irá chavear um nível de alta tensão para zero ou vice-versa,
gerando um pulso que será aplicado nos terminais da sonda
- Alta Tensão: nível de tensão alto o suficiente para excitar a sonda e fazer com que a
mesma gere um pulso de ultra-som
- Sonda: elemento físico constituído pelo transdutor e seus acessórios, como mostra a
figura 2.1.
- Ultra-Som: pulso de ultra-som então resultante da ação de todo o sistema detalhado
neste digrama em blocos.
Dando seqüência à pesquisa de circuitos, chegou-se ao circuito de recepção, o qual
pode ser representado pelo diagrama em blocos apresentado na figura 4.6.
Figura 4.6 - Diagrama em Blocos do Primeiro Circuito de Recepção.
No diagrama em blocos apresentado na figura 4.6 temos as seguintes descrições:
- Ultra-Som: pulso de ultra-som que é retornado de cada interface com impedância
acústica diferente e atinge a sonda.
- Sonda: elemento físico constituído pelo transdutor e seus acessórios, como mostra a
figura 2.1.
- Limitador: circuito por limitar o nível de tensão proveniente dos terminais da sonda
com a finalidade de não causar danos à entrada sensível e limitada do amplificador
ou pré-amplificador a ser utilizado.
- Amplificador: circuito eletrônico integrado, devido às altas freqüência em operação,
com a finalidade de amplificar, e em alguns casos até filtrar, o sinal proveniente da
Capítulo 4: Materiais e Métodos 38
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
sonda e limitado para que possa ser trabalhado por dispositivos discretos e menos
sensíveis aos nível de sinal da sonda.
- Detecção: dispositivo que irá processar os dados recebidos e exibir informações
úteis para o operador do sistema como um todo.
O ideal seria chegar a um circuito completo, unindo toda a parte de eletrônica digital e
eletrônica analógica em um só dispositivo. Um aprofundamento neste sentido resultou na
geração de um diagrama em blocos do sistema como um todo, como mostra a figura 4.7.
Figura 4.7 - Diagrama em Blocos do Sistema de Paquimetria Ultra-Sônico Completo
Este diagrama mostra toda a lógica para se chegar a um sistema de medida de
espessuras por ultra-som, sendo cada bloco explicado a seguir:
- µP: Este é o microprocessador responsável por todo o sistema. Neste caso, é o
dispositivo que recebe sinais e controla o sistema. Assim sendo, possui as
seguintes funções: gerenciar a memória, comunicação externa (para receber ou
emitir dados para um computador externo, por exemplo), cálculo de distância, iniciar
ou interromper uma medida, detectar problemas com o contador de tempo (TDC),
com os receptor e emissor de sinais de ultra-som e com a sonda, controlar sinais de
teclado e pedal, além de mostrar tudo o que ocorre em um Display para o usuário
saber em que passo do processo o aparelho está em operação.
- Teclado & Pedal: O teclado e o pedal são a interface simples e prática com o
usuário.
- Memória: A memória é necessária para que os dados colhidos seja armazenados
para posterior impressão ou envio dos dados a um computador.
- Interface RS232: Esta interface é o dispositivo responsável por realizar
comunicação com um computador externo, impressora ou algum outro dispositivo
externo para os devidos fins.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 39
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
- Display: Os dados e informações úteis ao usuário do aparelho serão mostrados
através deste dispositivo.
- TDC (Time Division Counter): Responsável por contar o tempo de forma digital,
tendo como princípio de funcionamento um sinal que inicia a contagem, um que
pára a mesma e outro que incrementa a contagem em intervalos de tempo definido.
Dessa forma, quanto menor o intervalo de tempo para incrementar a contagem,
mais precisa esta será. Este bloco pode representar um único dispositivo ou vários
dispositivos formando um lógica para executar a tarefa almejada.
- Eletrônica de Excitação e Recepção: Este bloco consiste na eletrônica analógica
discreta para que sejam trabalhados sinais de grande amplitude de tensão e picos
altos de corrente, sendo que, ao mesmo tempo precisa estar com “casamento de
impedância” com a sonda para que sejam transmitidos e recebidos sinais com a
máxima eficiência. Além disso, cabe à eletrônica analógica discreta incluir um
amplificador de sinal e preparar este sinal já amplificado para interagir com a parte
digital do sistema.
Para especificação e caracterização dos componentes eletrônicos necessários para o
início das montagens e testes, foram feitas simulações com os mesmos em várias
situações e disposições diferentes. Cada uma dessas simulações foi feita a partir de uma
análise prévia do funcionamento de cada componente e do circuito como um todo, além
do dimensionamento dos valores de tempos, tensões e correntes que precisariam ser
obtidos para a conformidade do funcionamento do sistema de excitação e recepção do
sinal de ultra-som.
Partindo do princípio do circuito equivalente da sonda [7,8,9,11,12] utilizada em piezo-
cerâmica, tem-se o seguinte circuito a ser adotado nas simulações (figura 4.8):
Figura 4.8 - Circuito equivalente da sonda piezo-cerâmica
Fazendo agora uma análise de qualidade da sonda, variando a freqüência na entrada e
medindo-se a amplitude do sinal referente sobre a mesma, pode-se, através do gráfico e
fórmulas [11,12] - vide figura 4.9 -, estipular os parâmetros acima de uma dada sonda.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 40
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.9 - Gráficos da Curva Característica. a) Admitância; b) Impedância.
A partir destes gráficos, podemos trabalhar as equações de 4.1 a 4.7 para que se
obtenha um melhor casamento de impedância, porém este fica sendo muito difícil diante
das informações que possuímos sobre as características das sondas.
12
ff
f
Q
r
M
−
=
(4.1)
)(2
22
2
rarr
a
M
ffCZf
f
Q
−⋅⋅⋅⋅⋅
=
π
(4.2)
md
YYY +=
(4.3)
()
ϕω
jCjY
d
−= 1
2
(4.4)
1
1
1
1
21
R
C
Lj
j
Y
m
+
−
−
=
ω
ω
ϕ
(4.5)
11
2
0
2
1
CL
R
==
ωω
(4.6)
+=
211
2
111
CCL
A
ω
(4.7)
onde:
Q
M
é a qualidade da resposta do transdutor em termos de mensuração da potência
concentrada em torno da freqüência natural de oscilação do transdutor.
f
1
é a menor freqüência de rote na resposta em freqüência do transdutor.
f
2
é a maior freqüência de rote na resposta em freqüência do transdutor.
f
r
é a freqüência natura de oscilação do transdutor.
f
a
é a freqüência de anti-ressonância.
Z
r
é a impedância apresentada pelo transdutor em sua freqüência de ressonância.
C é a capacitância apresentada pelo transdutor em sua freqüência de ressonância.
a) b)
Capítulo 4: Materiais e Métodos 41
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Y
d
é a admitância apresentada pelo transdutor em sua freqüência de ressonância devido
ao dielétrico.
Ym é a admitância apresentada pelo transdutor em sua freqüência de ressonância
devido ao processo de vibração mecânica do mesmo.
C
1
é a capacitância que surge devido ao dielétrico.
C
2
é a capacitância equivalente analisando a resposta do sistema mecânica de
vibrações.
R
1
é a resistência equivalente analisando a resposta do sistema mecânica de vibrações.
L
1
é a indutância equivalente analisando a resposta do sistema mecânica de vibrações.
ω
R
2
e
ω
0
2
são os mesmos, especificando a freqüência de ressonância do transdutor.
ω
A
2
é a freqüência de anti-ressonância do transdutor.
A partir destes dados, então, é possível propor formas de casamento de impedância
para com a sonda, como pode ser visto na figura 4.10.
Figura 4.10 - Casamento de Impedância: a) Série; b) Paralelo.
Numa primeira fase, foram montados vários circuitos simples para análise do
comportamento dos possíveis tipos de chaves eletrônicas disponíveis no mercado. Estes
testes podem ser representados pelos circuitos da figura 4.11.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 42
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.11 - a) Teste com Tiristor; b) Teste com BJT; c) Teste com Mos-Fet; d) Teste com Mos-Fet
excitado por BJT
Depois de realizadas as simulações e testes reais com os circuitos representados na
figura 4.11, montamos um circuito para chaveamento reverso rápido, casamento de
impedância de entrada e de saída com a sonda, limitador e amplificador (ligado ao
osciloscópio) do sinal de eco proveniente da mesma.
Baseando-se então nos princípios relatados anteriormente, condizentes ao casamento
de impedância eletrônica e ressonância da sonda pelo circuito eletrônico equivalente da
mesma, pôde-se chegar a um circuito como o mostrado na figura 4.12.
Figura 4.12 - Circuito analógico para sondas piezo-cerâmicas.
Foram então montados os circuitos substituindo-se a chave apresentada no circuito da
figura 4.12 por cada circuito chave apresentado na figura 4.11. Cada resultado
apresentava o comportamento fora do esperado do circuito de chaveamento, apesar de
indicar a funcionalidade do sistema de excitação da sonda.
a) b)
c) d)
Capítulo 4: Materiais e Métodos 43
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Assim, foram ajustados os componentes dos circuitos, inicialmente via simulação em
computador, pelo software PSpice e posteriormente na prática, chegando a um primeiro
circuito de excitação da sonda que fosse possível visualizar o sinal de eco no
osciloscópio, apesar da baixa relação Sinal/Ruído.
Este circuito foi a associação do circuito apresentado na figura 4.11.d com o da figura
4.12, tendo alguns parâmetros ajustados, para, então, ser possível satisfazer às
características das sondas 1, 2 e 3. A sonda 3 foi a única que apresentou um resultado
com sinal de eco com amplitude visualmente acima do ruído, porém ainda muito
pequeno, como mostra a figura 4.13 com média de 128 amostras, o que é de certa forma
inviável em um sistema final. Os primeiros gráficos colhidos, tanto com a sonda 1 quanto
com a 2, são extremamente semelhantes. Os gráficos referentes à sonda 1 podem ser
vistos na figura 4.14 a e b.
Figura 4.13 - Repostas do circuito da figura 4.12 sobre a sonda 3 com média de 128 amostras.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 44
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.14 - Repostas do circuito da figura 4.12. a) Sem a Sonda; b) Com a Sonda 1.
No caso da resposta da figura 4.14.b, foi usada a sonda 1. Porém, tanto a sonda 1 como
a 2 apresentaram a mesma resposta ao pulso, que como pode ser notado, seus módulos
de amplitudes foram reduzidos de 200V para aproximadamente 80V. Mesmo com estas
sondas colocadas em operação para retorno de eco, nada foi notado. Também é
perceptível que existe uma soma de sinais de oscilação, podendo indicar problemas na
seção de apoio da sonda, isto é, no amortecimento, e também no tempo do pulso de
excitação, resultando numa freqüência incorreta acima de 16 MHz.
A conclusão foi, a princípio, que as sondas estavam sobrecarregando o circuito e não
havia indícios aparentes de que estas estavam funcionando plenamente. Estas sondas
estavam em desenvolvimento inicial no Laboratório de Instrumentação Oftálmica –
EESC/USP e FMRP/USP em conjunto com a Universidade Federal de São Carlos e
ainda não haviam sido testadas em termos de nível de tensão para excitação, potência
de saída e sensibilidade, apenas possuíamos meios de medir a resposta em termos da
impedância em relação à freqüência.
b)
a)
Capítulo 4: Materiais e Métodos 45
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
O mesmo não foi detectado ao se utilizar a sonda 3, do Hospital das Clínicas da
Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto – USP, que apesar de não ser possível
separar plenamente o eco do ruído, mostrou-se não sobrecarregar o circuito.
4.2.2 Circuitos Seguintes
Após, então, ter-se estudado todos os parâmetros necessários para que se pudesse
chegar a um circuito que realmente nos levasse a um resultado satisfatório, além de já
se ter montado alguns outros circuitos, que não apresentaram resultados esperados,
partiu-se para alguns testes empíricos.
A grande dificuldade destes testes é o desconhecimento de muitos dos parâmetros que
se faziam necessários para aplicação das curvas da figura 4.9 e das equações 4.1 a 4.7.
Assim, foi simulado um circuito que apresentaria o comportamento do casamento de
impedância e banda de passagem variando o elemento selecionado. Estes valores
podem ser notados através da figura 4.15, onde este expressa um filtro RLC, onde C é
capacitância da sonda, geralmente compreendida entre 10 pF e 60 pF. Considerando,
então, a indutância da sonda L=10 µH, que também é um valor a ser considerado diante
dos valores de freqüência natural de ressonância dos transdutores utilizados (sonda 1, 2
e 3). Assim, variando-se R, conforme indicado, pode-se ter a largura de banda de
passagem desejada a fim de eliminar ruídos e melhorar a transferência de potência para
a sonda.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 46
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.15 - Reposta em freqüência para cada possível casamento de impedância das sondas 1,2 e 3, com sintonia por capacitância e resistência.
L = 10
µ
H
100 Ω
330 Ω
1 kΩ 5 kΩ
10
p
F
20
p
F
30
p
F
40
p
F
50
p
F
60
p
F
Capítulo 4: Materiais e Métodos 47
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Assim, alguns circuitos foram simulados e montados em protoboards, realizando testes
até atingir um ponto satisfatório. Foram variados todos os possíveis componentes que
poderiam influenciar na resposta. Sendo o primeiro desta nova série a forma mais direta
de se chavear um circuito (vide figura 4.16)
Figura 4.16 - Chaveamento direto da tensão através de M1.
No circuito da figura 4.16foi implementado um oscilador astável com o CMOS lógico
inversor CD40106B, o qual tinha seu sinal derivado por C4, porém já neste ponto o sinal
não era suficiente para fornecer uma corrente para chavear Q1, o qual chavearia M1.
Este componente foi inicialmente utilizado por apresentar uma mudança de nível (de 0
para 18V) em um tempo relativamente curto em relação aos demais componentes
disponíveis para este princípio.
Detectada então a falha no uso deste componente, foi então testado um componente de
corrente lógica maior, o 555C (vide figura 4.17). Com este componente conseguiu-se
disparar Q1, apesar de aumentar a complexidade do circuito neste ponto. Porém M1
ainda não respondia como o esperado: chavear 220V em 7ns, que era possível de se
atingir na simulação.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 48
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.17 - Uso do 555C como astável.
Ainda realizando mais tentativas, substituindo-se vários componentes, obtivemos um
circuito ainda mais complexo, que na simulação proporcionava o sinal de retorno
esperado melhor que anteriormente, visto que também se tentou adicionar ao circuito, o
circuito equivalente da sonda. Este circuito pode ser visto através da figura 4.18.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 49
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.18 - Circuito aperfeiçoado.
Ainda assim, após tentativas de todos os valores propostos, a partir do esquema da
figura 4.15, não se obtinha resposta satisfatória com a sonda acoplada, como mostra a
figura 4.19.
Figura 4.19 - Respostas do circuito da figura 4.18.
Este fato indicava que a sondas testadas (sonda 1 e sonda 2) apresentam uma seção de
apoio ruim, isto é, o casamento acústico do material de apoio com o PZT não era
satisfatório, resultando em um pulso de duração muito longa, ocasionando um efeito de
“rebatimento”. Este efeito pode causar uma intersecção com o sinal de eco, que
teoricamente seria recebido. Porém movimentando-se a sonda, não se nota movimento
de nenhuma forma de interferência, que se move proporcionalmente ao movimento com
a sonda.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 50
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Para corroborar o fato de que as sondas ainda não eram funcionais, um novo circuito foi
implementado numa tentativa de reunir todas as melhores características dos circuitos
anteriores em um só, como mostra a figura 4.20.
Figura 4.20 - Último circuito para testes das sondas 1 e 2.
Mesmo com este circuito, relativamente complexo, não foi possível obter um resultado
próximo ao esperado, ficando aqui concluído que as sondas 1 e 2 não estavam
respondendo como o esperado.
Assim, foi testada a sonda cardíaca (sonda 4), cujos parâmetros de suas características
eram amplamente conhecidos, por ter sido desenvolvida na EESC, pelo Prof. Edson
Gesualdo, que vem colaborando com esta pesquisa.
Por ser uma nova sonda, implementamos o circuito apresentado na figura 4.21.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 51
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.21 - Primeiro circuito para a sonda 4.
Neste primeiro circuito foram encontrados problemas com chaveamento no driver
primário, realizado pelo transistor BC548B, além de um outro fator, que era seu limitante
de tensão entre o emissor e coletor de 30V. Trocou-se, então, este por outro igual ao Q2,
como mostra a figura 4.22.
Figura 4.22 - Segundo circuito para a sonda 4.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 52
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Este novo circuito apresentou resultados apenas satisfatórios. Assim, projetou-se um
novo circuito bastante semelhante, porém baseado num princípio totalmente diferente.
Este circuito é conhecido como “cascata de emissor comum – coletor comum”, como
pode ser visto na figura 4.23.
Figura 4.23 - Terceiro circuito para a sonda 4 (cascata de emissor comum – coletor comum).
Com o presente circuito foi possível atingir resultados satisfatórios para o projeto em
questão. A curva que retrata o ponto satisfatório atingido está detalhada na figura 4.24.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 53
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 4.24 - Resposta do terceiro circuito para a sonda 4.
Nesta figura a primeira linha representa o trigger que foi utilizado para captura do sinal,
sendo este o sinal lógico de disparo. O segundo sinal representa os dados capturados
do pulso resultante para excitar a sonda 4, o qual apresenta todas as características que
queríamos obter para, então, coletar os resultados que concluiriam este trabalho, como
será apresentado no capítulo 5.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 54
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
4.3 Montagem Prática
A montagem prática do sistema se dá em bancada de montagem eletrônica e utiliza-se
de equipamentos de mensuração eletrônicos de alta tecnologia, contando para tanto
com dispositivos eletrônicos comerciais.
4.3.1 Instrumentação Utilizada
Para a montagem de circuitos de testes foi utilizado o protoboard comum, um multímetro
digital (Minipa ET-2042), para medidas instantâneas, fontes de alimentação, para as
diversas partes do circuito, e um osciloscópio (Tektronix TDS-220), para medidas
bastante precisas no decorrer do tempo.
O sistema era auxiliado por computador para armazenar dados e/ou criar gráficos e
tabelas, além de permitir acesso, principalmente via internet, aos mais variados
documentos e especificações dos componentes e circuitos a serem utilizados.
A bancada padrão utilizada por ser vista na figura 4.25.
Figura 4.25 - Bancada de Testes.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 55
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
O protoboard com um dos circuitos montados pode ser visto na figura 4.26. O protoboard
utilizado foi um da marca e modelo PL-555.
Figura 4.26 - Protoboard com um dos circuitos implementado.
O osciloscópio utilizado foi um Tektronix TDS-220 (vide figura 4.27) Uma característica
fundamental deste equipamento para o nosso trabalho é sua resposta em freqüência e
impedância de entrada, as quais deveriam ser grandes o suficiente para analisar os
sinais em vários pontos do circuito com boa precisão, sem que o circuito sofra perdas
(ou inclusão de ruído) significativas ante o resultado esperado.
Figura 4.27 - Osciloscópio utilizado no desenvolvimento do trabalho.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 56
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
4.3.2 Montagem
O processo de montagem de cada circuito descrito anteriormente se deu por montagem
em protoboard. Nestes processos pode-se observar claramente que, na faixa de
freqüências na qual estávamos trabalhando, as placas de ligação do protoboard
comportavam-se como antenas, capturando o sinal presente no ambiente influenciando
no resultado como um fator adicionador de ruído.
Contudo, devido ao fato de ser apenas para teste, o protoboard apresentou-se muito
prático nos processos de montagem, notado que dessa forma era possível alterar
rapidamente o circuito, trocando componentes eletrônicos e visualizando o sinal
rapidamente no osciloscópio.
Nas montagens dos circuitos da figura 4.11, foi utilizada uma das fontes de alimentação
com tensão com regulagem em 15 V para os dispositivos lógicos e transistores BJT,
notado que a tensão máxima suportada pelos dispositivos lógicos CMOS utilizados é de
18 V e para os transistores BJT de 30 V. A outra fonte, que era dupla e tensão máxima
de cada parte de 30 V, foi ligada em série, resultando numa diferença de potencial de
60V, o qual foi aplicado no ponto “Entrada”, sempre passando por um resistor limitador,
quando utilizando os transistores CMOS de 400 V.
Nos caso do BJT e do Tiristor, foram reguladas para fornecer uma diferença de potencial
de 30 V, não comprometendo dessa forma os dispositivos. Com estas montagens pôde-
se analisar os tempos de respostas para chaveamento de cada circuito isoladamente.
Isoladamente também, foi montado o circuito da figura 4.12 e cada “circuito chave” era
ligado separadamente para se analisar as respostas individuais. As possibilidades de
valores, para cada componente eletrônico esquematizado, resultantes do conjunto
desses circuitos somavam um número muito grande. Realizando algumas alterações, foi
possível identificar os componentes mais críticos.
Previamente aos testes na bancada, foi simulado no computador, ainda através do
programa Pspice, os diferentes valores destes componentes mais críticos no sistema, o
que resultou em um gráfico de respostas apresentado pela figura 4.15.
Com uma pré-visualização dos resultados em resposta esperados, foram feitos os testes
com quase todos as combinações possíveis de componentes, o que chamamos
anteriormente de ajuste, para se obter o melhor resultado. Foram descartadas as
combinações que, pela simulação, não seriam consideráveis no resultado.
Após colhermos alguns dados, gráficos e tabelas, feito uma análise dos circuitos até
então montados, partimos para outros modelos apresentados nas figura 4.16, 4.17, 4.18
e 4.20.
Capítulo 4: Materiais e Métodos 57
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Estes modelos se caracterizam por um aperfeiçoamento consecutivo de cada um dos
circuitos para se chegar a uma resposta mais satisfatória. Como de um para outro a
mudança se dava praticamente por blocos, a montagem em protoboard foi essencial
para que fosse possível o teste de vários valores de componentes eletrônicos, não
exigindo a montagem completa de outro circuito e também abrigando o conceito de
montagem em blocos e simplesmente desconectando um e ligando outro sem que
houvesse muitas mudanças. Houve casos em que foi preciso voltar a um determinado
circuito para uma segunda análise.
Já os circuitos apresentados pelas figuras 4.21, 4.22 e 4.23 seguiam um conceito
totalmente diferente dos que já vinham sendo montados, o que, dessa forma, fez com
que ele ocupasse um espaço à parte.
Assim, um único circuito foi montado em protoboard, prevenindo-o de ruídos extras.
A figura 4.28 apresenta a montagem do circuito da figura 4.23 ligado a um temporizador
555, na configuração de astável e largura de pulso controlado por um potenciômetro com
a finalidade de se analisar a influência da largura do pulso na resposta do circuito. Tal
influência não foi observada.
A sonda 4 foi acoplada ao circuito por meio de um conector “N”.
As espessuras das placas de acrílico de calibração já eram conhecidas e possuíam
precisão nas medidas da ordem de µm.
Figura 4.28 - Montagem em protoboard final.
As placas de acrílico utilizadas nos testes foram então etiquetadas com as referidas
medidas e dispostas para uma melhor visualização, como mostradas na figura 4.29.
Estas placas eram imersas em água dentro de um recipiente que comportasse a
inserção da sonda a ser testada sem que houvesse a possibilidade de transbordar a
Capítulo 4: Materiais e Métodos 58
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
água. Além deste método, utilizou-se uma solução salina, próxima à concentração do
soro fisiológico, de 9mg/ml.
Foram também realizados testes apenas com uma fina superfície de água sobre a placa
de acrílico que servia de interface entre a sonda e a placa, não apresentando
visivelmente uma diferença entre esta forma, que é a utilizada em ambulatórios e
consultórios na medida da espessura de córneas e análise do globo ocular em Modo A.
Figura 4.29 - Placas de acrílico utilizadas.
Capítulo 5: Resultados
59
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 5
Resultados
Os resultados obtidos para as várias sondas testadas são apresentados neste capítulo.
5.1 Sonda comercial para paquimetria corneana
Uma sonda comercial para paquimetria da córnea foi utilizada como primeiro teste. A
figura 5.1 ilustra uma sonda do paquímetro DHG 4950, modelo B94X4965.
Figura 5.1. Sonda comercial para paquimetria corneana.
A referida sonda, quando conectada ao circuito, mostrou um pequeno sinal, que em
relação ao ruído, quando medindo a espessura de algumas lâminas de acrílico, tornou-
se difícil de visualizar no osciloscópio, mesmo com o auxílio de médias. Contudo,
quando há movimento desta sonda em relação à estrutura que está sendo medida,
imersa em solução aquosa salina, nota-se um sinal que realça o ruído em um movimento
proporcional ao realizado, sendo então, portanto, necessário um sistema de filtro melhor
na parte de detecção, o que não trata especificamente este trabalho.
5.2 Sonda nacional em desenvolvimento
Foi também aumentada a tensão até o máximo que nosso circuito suportava, que era um
pouco acima de 60V. Quando feito isso a amplitude do sinal aumentou, porém aumentou
também a amplitude do ruído, ficando portanto no mesmo patamar a relação sinal/ruído.
Na figura 5.2 estão exibidas as sondas construídas no Instituto de Física da
Universidade Federal de São Carlos, pela equipe do Dr. Eiras, as quais receberam os
mesmos parâmetros de testes.
Capítulo 5: Resultados
60
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 5.2. Sondas desenvolvidas pela equipe do Prof.. Eiras.
Conectando-se as sondas da figura 5.2 ao circuito, obteve-se uma distorção no sinal
excitante caracterizando uma falta de casamento de impedância entre o circuito e a
sonda (exemplificado na figura 5.3), evidenciado pela atenuação do sinal comparado
com este em aberto, como pode ser visto pela figura 4.14, notando-se que o primeiro
sinal é o triger, no qual foi utilizado o sinal digital de disparo de 5V máximos.
Figura 5.3. Não casamento de impedância
Além da falta de casamento de impedância, não foi possível obter qualquer resultado no
qual podemos nos basear como indicação de eco sobre as lâminas, o que não
aconteceu com o primeiro caso. Isto se deu pela falta de informações sobre a real
condição de funcionamento das sondas, e devido à impossibilidade de levantar sua
impedância característica para freqüências em torno de 10MHz, isto é, em sua
freqüência natural de oscilação. Tampouco se tinha em mãos a tensão necessária para
uma excitação efetiva destas sondas, as quais proveriam de uma análise da potência de
ultra-som emitida para cada dada tensão e freqüência.
Capítulo 5: Resultados
61
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Assim, uma sonda, cujos parâmetros eram conhecidos, tornou-se objeto de nossos
estudos por apresentar características semelhantes à sonda de paquimetria. A sonda
utilizada foi uma sonda de ecografia cardíaca, desenvolvida na EESC/USP, pelo
professor Dr. Edson Gesualdo e equipe.
5.3 Sonda para ecografia cardíaca
A sonda de ecografia cardíaca, vide figura 5.4, é composta pelos mesmos elementos
apresentados na figura 2.1 e possui freqüência de natural oscilação em 1,5 MHz.
Assim como a sonda comercial para paquimetria corneana, a sonda para ecografia
cardíaca casou impedância com o circuito, diferindo, portanto, do caso das sondas
desenvolvidas durante este projeto (vide figura 5.5).
Figura 5.4. Sonda para ecografia cardíaca
Capítulo 5: Resultados
62
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Figura 5.5. Figura do casamento de impedância
Utilizando-se a sonda para ecografia cardíaca, obteve-se um sinal de eco coerente que
se desloca na escala de tempo do osciloscópio de acordo com a espessura do meio
sobre o qual é colocado em contato. O eco pode ser visto na figura 5.6, porém sua
amplitude pode ser melhorada com o aumento de Vcc e aplicação de filtros para
sistemas de detecção melhorados.
Figura 5.6. Eco da sonda para ecografia cardíaca com Vcc=30V.
Capítulo 5: Resultados
63
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Aumentando a tensão primeiramente no circuito simulado (figura 5.7), pôde-se verificar
que não apresentaria riscos para os transistores, pois estes transistores suportam uma
tensão de até 60V e corrente de coletor de até Ic=50mA [40,41,42,43].
Figura 5.7. Polarização do Circuito com Vcc = 60V (simulado)
Assim, foi possível se obter uma excitação de amplitude suficiente para reconhecer o
eco e poder observá-lo de forma analítica.
Capítulo 5: Resultados
64
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
5.3.1 Análise do eco
Com o circuito resolvido, serão apresentados os resultados finais obtidos pela excitação
da sonda 4, a qual foi mergulhada em água e posicionada em contato com lâminas de
acrílico de diferentes espessuras para as quais espera-se observar diferentes posições
do eco, caracterizando a coerência do tempo de retorno do eco proporcional à espessura
de cada lâmina, como podemos notar na figura 5.8.
Figura 5.8. Ecos com diferentes espessuras de lâminas de acrílico
É de suma importância notar que o cabo do osciloscópio está com fator de atenuação de
10 vezes e, portanto, o valor de escala é de 20V/div, não sendo então de 2V/div, como
mostra a figura 5.8.
Nesta captura de dados, feita com média de 16 amostras, ainda existe perturbações de
ruído e sinais de interferência a freqüência utilizada. Contudo, é bastante visível, e
suficiente eletronicamente, o sinal de eco obtido, cujo tratamento do qual não é o
objetivo primário deste trabalho.
Capítulo 5: Resultados
65
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Analisando a figura 5.9, fica notável a primeira reflexão, com seu maior pico centrado.
Esta reflexão se dá devido à diferença de índice de refração entre o meio (água) e o
acrílico.
Figura 5.9. Sinal com ruído (sem média)
Figura 5.10. Sinal com pouco ruído (média de 16 amostras)
A segunda, e mais importante reflexão, varia de acordo com a espessura da lâmina, e
apresenta coerência conforme demonstram as formas de ondas.
A lâmina mais fina, de 2,05mm, apresenta uma segunda reflexão próxima à primeira; já
as lâminas de 3,0mm e 3,54mm apresentam, respectivamente, reflexões mais distantes.
A fim de se ter um dado confiável, o osciloscópio foi manipulado de forma a fornecer as
médias das ondas capturadas com valor médio de 16 amostras por exibição de resultado
(figura 5.10), pois, caso contrário, o sinal obtido é como o da figura 5.9.
Capítulo 5: Resultados
66
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Além desta forma estática de se visualizar o eco, fez-se uso da observação dinâmica,
como na sonda comercial, porém com menos nitidez.
A observação dinâmica consiste da inserção da sonda no fundo de um copo de polímero
de 150ml com água ou solução aquosa salina. Conforme a sonda afasta-se ou aproxima-
se do fundo do copo, nota-se claramente uma excursão do sinal de eco sobre o eixo
horizontal. A única restrição a esta forma é o posicionamento do transdutor dentro do
copo, pois sua superfície deve estar o mais paralelo possível à superfície do fundo do
copo para que o eco tenha a maior amplitude possível, concentrando dessa forma a
maior potência de retorno do eco sobre a sonda. Isto seria um "casamento mecânico" de
impedâncias, o que poderia, se de forma bem trabalhada, chegar a um sistema Modo-M
de ultra-sonografia oftálmica.
Por final, se faz interessante notar na figura 5.9 que o ruído varia de pico a pico em torno
de 30mV, próximo ao sinal de eco e este mesmo sinal de eco, por sua vez, tem uma
excursão de pico a pico máximo em torno de 180mV, o que resulta, a princípio em uma
relação sinal/ruído de 6, a qual é muito boa para que possa ser feita uma análise
detalhada do fenômeno em estudo.
Capítulo 6: Conclusão
67
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 6
Conclusão
Quando se trabalha em altas freqüências (acima de 1 MHz), cada conector do
protoboard torna-se parte considerável no circuito como um todo, podendo ser
considerado uma linha de transmissão e/ou uma antena, adicionando, dessa forma,
impedâncias ao sistema, captando ruídos eletromagnéticos na mesma faixa de
freqüência e alterando, portanto, o funcionamento esperado.
Para amenizar drasticamente o efeito de tais características físicas, seria ideal a
montagem do circuito em placas de circuito impresso com tecnologia SMD (“Surface
Mounted Device”) e blindagem metálica.
No entanto, como a idéia inicial deste projeto foi realizar um protótipo de circuitos com
capacidade de excitação de sondas piezelétricas (acima de 1MHz), optou-se para que
todos os aprimoramentos possíveis na montagem devessem ser feitos em protoboard
antes de se passar para uma etapa em circuito impresso, uma vez que o circuito aqui
proposto é um passo inicial de um grande projeto de desenvolvimento de um paquímetro
ocular totalmente nacional.
Nesta primeira etapa do grande projeto, as sondas comerciais de paquimetria não
puderam ser melhores utilizadas por serem sondas que não dispunham de suas
características fornecidas por motivos de segredo industrial. As sondas que estão em
desenvolvimento e que são uma outra parte do grande projeto ainda não atingiram o
estágio de boa qualidade para se fazer um circuito a elas dedicado. Assim, a sonda
cardíaca, que possui características semelhantes às sondas de paquimetria ocular foi a
utilizada.
Com a sonda de ecografia cardíaca, desenvolvida no Brasil pelo professor Edson
Gesulado da EESC-USP, foi obtido o melhor resultado por já ser de conhecimento a
amplitude de tensão necessária para sua excitação e sua freqüência natural de oscilação
em 1,5 MHz, a qual possibilitou que sua montagem em protoboard não fosse tão crítica
ao se tratar da relação sinal/ruído.
Capítulo 6: Conclusão
68
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Os resultados obtidos mostram que para sondas com freqüência natural mais próxima de
1MHz, a relação sinal/ruído é de 6 vezes, que é muito boa, já podendo implementar ao
sistema o circuito aqui desenvolvido. Porém, para sondas com freqüência natural em
torno de 10MHz esta relação sinal/ruído ainda não é suficiente para tais aplicações e,
como comentado, será um passo posterior para o desenvolvimento do paquímetro de
córnea.
Portanto, o protótipo do circuito proposto chegou em sua fase final, atingindo o resultado
esperado, sobre o qual foi possível discutir as características de cada uma das outras
sondas testadas e sugerir o que nestas ou no sistema completo precisa ser ainda
aperfeiçoado para se chegar a um sistema de medidas de paquimetria ocular in vivo.
Conclui-se, portanto, que o circuito por ora proposto atingiu os objetivos esperados para
a excitação de sondas ultra-sônicas médicas.
Capítulo 7: Trabalhos Futuros
69
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
Capítulo 7
Trabalhos Futuros
Como amplamente discutido, o presente trabalho foi parte do desenvolvimento da
eletrônica de controle e de medida de espessuras de tecidos com o objetivo final do
desenvolvimento de um sistema de ultra-som de medidas de espessuras de córneas
humanas.
Além da sonda piezelétrica que está em constante desenvolvimento, para que possamos
dominar totalmente esta tecnologia, uma vez que no país não existe nenhum paquímetro
ocular nacional, o circuito de excitação deve ser ajustado num futuro próximo para esta
sonda em desenvolvimento e então, o circuito de captação do eco deve ser aprimorado
(encontra-se em desenvolvimento também se utilizando ainda a sonda cardíaca).
Como sugestão para o aprimoramento da eletrônica do paquímetro ocular, seguem os
itens abaixo descritos:
1. Construir o circuito em placas de circuito impresso fazendo uso da tecnologia
SMD para reduzir o ruído, aumentando assim a relação sinal/ruído;
2. Implementar um sistema de detecção de pico para fazer com que o resultado na
medida do eco seja o melhor possível. Cria-se, portanto, conjuntamente um filtro
passa baixa, o que propicia o uso de componentes eletrônicos com largura de
banda de freqüência menores, não afetando significativamente o resultado do
sistema;
3. Tratamento do sinal de eco de forma a conseguir medir o tempo entre um pico e
outro, ficando de forma simplificada o cálculo da distância entre estes picos;
4. Adicionar um dispositivo que permita a visualização do resultado
independentemente do osciloscópio, isto é, um mostrador numérico digital;
5. Confeccionar uma caixa metálica para isolamento de rádio-freqüência presentes
em todos ambientes onde o sistema ficará em operação;
6. Criar mecanismos práticos para que um usuário final possa acionar o dispositivo
e manuseá-lo de forma eficiente, ficando assim pronto para uso ambulatorial em
diagnósticos;
7. Realizar todos os testes junto à equipe que está desenvolvendo as sondas de
ultra-som no Brasil, permitindo dessa forma a construção completa do sistema
nacionalmente, diminuindo custos e oferecendo manutenção rápida, barata e de
qualidade.
Capítulo 8:
Referências Bibliográficas
70
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
8. Referências Bibliográficas
[1] BYRNE, S. F.; GREEN, R. L. Ultrasound of the Eye and Orbit. St. Louis, C. V. Mosby Year
Book, 1992.
[2] COLEMAN, D. J.; LIZZI, F. L.; JACK, R. L. Ultrasonography of the Eye and Orbit. New York,
Lea & Febiger, p. 3 – 129, 1977.
[3] MUNDT, G. H.; HUGHES, W. F. Ultrasonics in ocular diagnosis. Am. J. Ophthalmol,
p. 488 – 498, 1956.
[4] ABREU, G. Ultra-Sonografia Ocular Atlas – Texto. Rio de Janeiro, Editora Cultura Médica,
p. 1 – 37, 1996.
[5] MATOS, P. S. Desenvolvimento e Caracterização do Sistema de Ultra-Som para Avaliação da
Velocidade e Atenuação em Tecido Ósseo. Ribeirão Preto, Dissertação de Mestrado,
FFCLRP – USP, 2000.
[6] BAUM, G.; GREENWOOD, I.: The application of ultrasonic locating techniques to
ophthalmology. parte I, Am. J. Ophthalmology, v. 46, p. 319-329, 1958.
[7] JANSSON, F.; KOCK, E. Determination of the velocity of ultrasound in the human lens and
vitreous. Acta Ophthalmol, p. 420-433, 1962.
[8] OKSALA, A.; LEHTINEN, A. Measurement of the velocity of sound in some parts of the eye.
Acta Ophthalmol, p. 633-639, 1958.
[9] HUETER, T.; BOLT, R. Sonics. Techniques for the Use of Sound and Ultrasound in
Engineering and Science. New York, John Wiley and Sons, Inc., 1955.
[10] KINSLER, L.; FREY, A. Fundamentals of Acoustics, 2nd ed. New York, John Wiley and
Sons, Inc., 1962.
[11] OSSOINING, K.C. Quantitative echography - the basis of tissue differentiation. J. Clin.
Ultrasound, p. 2 – 33, 1974.
[12] PAVLIN, C.J.; HARASIEWICZ, K.; FOSTER, S. Ultrasound Biomicroscopy of anterior segment
structures in normal and glaucomatous eyes. Am. J. Ophthalmol, p. 381-389, 1992.
[13] SAMPAOLESI, R. Ultrasonidos em Oftalmologia. Buenos Aires, Editorial Medica Panamericana,
1984.
Capítulo 8:
Referências Bibliográficas
71
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
[14] WALSH, A.; PAVLIN, C. J.; YAMANE, R.; CREMA, A. S. Estudo do segmento anterior com
biomicroscopia ultra-sônica em pacientes com bloqueio pupilar. Rev. Brás. Oftalmol., v. 54, n.
6, 1995.
[15] SILVA, F.A. Ecografia Clinica em Oftalmologia. Rio de Janeiro, Livro Médico Editora, 1985.
[16] FREDERICK, J. R. Ultrasonic Engineering. New York, John Wiley and Sons, Inc., 1965.
[17] WELLS, P. N. T. Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis. New York, Academic Press,
1969.
[18] BEGUI, Z. E. Acoustic properties of the refractive media of the eye. J. Acoust. Soc. Am., p.
365-368, 1954.
[19] LAVINE, O. Effects of ultrasonic waves on the refractive media of the eye. Arch. Ophthalmol,
p. 204 – 219, 1952.
[20] DUNN, F. Ultrasonic absorption by biological materials. Urbana, University of Illinois Press,
1965, p. 51-65.
[21] LIZZI, F.; BURT, W.; COLEMAN, D. J. Effects of ocular structures on the propagation of
ultrasound in the eye. Arch. Ophthalmol, p. 635-640, 1970.
[22] OKSALA, A.; HAKKINEN, L. Experimental studies of the behavior of ultrasound in the sclera
and cornea. Mosby Co., 1969, p. 59-63.
[23] OKSALA, A.; VARONEN, E. The effect of the lens on the ultrasonic field in diagnosis of
the eye by ultrasound. Acta Ophthalmol, p. 260-267, 1965.
[24] KOSSOFF, G. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric
ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason, p. 20-30, 1966.
[25] REDWOOD, M. Transient performance of a piezoelectric transducer. J. Acoust. Soc. Am.,
p. 527-535, 1961.
[26] KOSSOFFf, G. Design of narrow beamwidth transducers. J. Acoust. Soc. Am., p. 905-
912, 1963.
[27] PAVLIN, C.J.; HARASIEWICZ, K.; FOSTER, S. Ultrasound Biomicroscopy of anterior segment
structures in normal and glaucomatous eyes. Am. J. Ophthalmol. p. 381-389, 1992.
[28] RAMOS, A.; SANZ, P. T.; ESPINOSA, F. R. M. Control de arrays ultrasónicos de AF –
Aplicaciones en ecografía de alta resolución. Madri, Revista Mundo Electrónico nº 167, Cetisa
Editores S.A, p. 167 – 172, 1986.
Capítulo 8:
Referências Bibliográficas
72
Circuito de Excitação de Sondas de Ultra-Som Médicas de Alta Freqüência
[29] WEAVER, R. L.; LOBKIS, O. L. Ultrasonics without a Source: Thermal Fluctuation Correlations
at MHz Frequencies. Urbana – Illinois, Physical Review Letters, v. 87, n. 13, 2001.
[30] LASCHITSCH, A.; JOHANNSMANN, D. Measurements of Interfacial Friction Using Quarts
Crystal Resonators. Besanon, Proc. European Frequency and Time Forum, 1999.
[31] DIAS, J. A. Aparato para Medida de Potência de Transdutores Ultra-Sônicos. Ribeirão Preto,
Dissertação de Mestrado, FFCLRP – USP, 1996.
[32] http://home.kabelfoon.nl/~bertrik.
[33] http://www.williamson-labs.com.
[34] http://www.mpi.powerultrasonics.com/transducer.html.
[35] http://www.morganelectroceramics.com.
[36] MCKEIGHEN, R. Influence of Pulse Drive Shape and Tuning on the Broadband Response of a
Transducer. Proc. IEEE Ultrasonics Symposium, v. 2, p. 1637 – 1642, 1997.
[37] FOSTER, F.; HARASIEWICZ, K. A.; PAVLIN, C. J.; LOCKWOOD, G. R.; TURNGULL , D. H.;
CHRISTOPHER, D. A. High Frequency Ultrasound B-Scan Imaging. Sunnybrook Health
Science Centre and Department of Medical Biophysics, University of Toronto, Canada.
[38] SEDRA, A. S.; SMITH, K. Microeletrônica. São Paulo, Pearson Education do Brasil, ISBN
85.346.1044-4, 2000.
[39] HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentals of Physics – Extended, with Modern
Physics. 4
a
Edição, John Wiley & Sons, Inc, ISBN 0-471-57578-X.
[40] http://www.farnell.com.br. Datasheets de componentes eletrônicos e CIs utilizados.
[41] http://www.ti.com. Datasheets de componentes eletrônicos e CIs utilizados, além de alguns
circuitos de exemplo.
[42] http://www.mouser.com. Especificações e comparações de componentes eletrônicos.
[43] http://www.jameco.com. Especificações e comparações de componentes eletrônicos.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
